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Física y Química 1

BACHILLERATO

Biblioteca del profesorado

SOLUCIONARIO

El Solucionario de Física y Química para 1.º de Bachillerato es una obra colectiva concebida, diseñada y creada en el departamento de Ediciones Educativas de Santillana, dirigido por Enric Juan Redal. En su realización han intervenido: Francisco Barradas Solas Pedro Valera Arroyo María del Carmen Vidal Fernández EDICIÓN David Sánchez Gómez DIRECCIÓN DEL PROYECTO Rocío Pichardo Gómez

Santillana

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Presentación

Nuestros libros de Física y Química para Bachillerato responden al planteamiento de pr esentar un pr oyecto d i d á c t i c o c e n t r a d o e n l a a d q u i sición de los conceptos necesarios para que los alumnos puedan conocer y desar rollar, d e m a n e r a p r á c t i c a , l a s d i f e r e n t e s a c t i v i d a d e s y p r oblemas que se presentan en el libro del alumno.

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PRESENTACIÓN

Índice Tema 1

La teoría atómico-molecular de la materia

5-32

Tema 2

Los estados de la materia

33-60

Tema 3

Las disoluciones

61-92

Tema 4

Los átomos

Tema 5

El enlace químico

121-146

Tema 6

La reacción química

147-184

Tema 7

La química orgánica

185-212

Tema 8

Cinemática (I): cómo se describe el movimiento 213-232

Tema 9

Cinemática (II): algunos tipos de movimientos 233-258

Tema 10

Las leyes de Newton

259-282

Tema 11

Las fuerzas

283-302

Tema 12

Trabajo y energía

303-326

Tema 13

Calor y energía

327-348

Tema 14

Electricidad

349-374

Anexos

Tabla de constantes físicas y químicas

376-377

Sistema periódico de los elementos

378-379

93-120

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Introducción En cualquier texto de Física y Química los ejercicios y las cuestiones constituyen una parte fundamental del contenido del libro. En nuestro material, las actividades aparecen agrupadas en dos secciones: • Junto a la teoría, a pie de página. • Al final de cada tema. En este libro, complemento de la Guía del profesor, se presenta, para cada uno de los temas del libro de texto: • La Programación de aula (objetivos, contenidos, criterios de evaluación, competencias...). • La Resolución de todos los ejercicios incluidos en el libro del alumno.

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La teoría atómico-molecular de la materia 1 La teoría atómico-molecular

PROGRAMACIÓN DE AULA

de la materia

OBJETIVOS • Diferenciar entre sustancia pura y mezcla. • Distinguir entre mezclas homogéneas y heterogéneas. • Conocer los procedimientos físicos que permiten separar los componentes de una mezcla. • Conocer las experiencias que permitieron establecer las leyes que rigen las combinaciones de las sustancias expresadas en masa (leyes ponderales). • Entender la teoría atómica de Dalton como una consecuencia de las leyes ponderales. • Conocer las leyes que rigen las combinaciones de las sustancias gaseosas expresadas en unidades de volumen (leyes volumétricas). • Interpretar los resultados de las leyes volumétricas mediante la hipótesis de Avogadro. • Explicar la composición de la materia sobre la base de la teoría atómico-molecular. • Manejar con soltura el mol como unidad de medida de la cantidad de sustancia. • Cbtener la fórmula de un compuesto a partir de datos analíticos (composición centesimal).

CONTENIDOS • Formas de presentarse la materia. Sustancias puras y mezclas. Elementos y compuestos. Mezclas homogéneas y heterogéneas. • Técnicas experimentales para separar los componentes de una mezcla. • Leyes ponderales de la materia (Ley de Lavoisier, Ley de Proust, Ley de Dalton). • Interpretación de las leyes ponderales. Teoría atómica de Dalton. • Leyes volumétricas de la materia (Ley de Gay-Lussac). • Interpretación de las leyes volumétricas. Hipótesis de Avogadro. • Teoría atómico molecular. • El mol como unidad de medida. • Fórmula empírica y fórmula molecular. Obtención a partir de la composición centesimal de las sustancias.

Conceptos

PRESENTACIÓN Esta unidad se centra en el conocimiento de la materia sobre la que va a tratar el estudio de este curso de Química. Con independencia del modo en que se presente, los alumnos aprenderán a aislar las sustancias puras. También es importante que el alumno asuma el rigor que debe sustentar el trabajo científico y para ello nada mejor que seguir los pasos que permitieron establecer la primera teoría científica sobre la constitución de la materia.

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Procedimientos, • Elección del material de laboratorio adecuado para una operación. destrezas • Utilizar técnicas básicas de laboratorio para separar mezclas: filtrar, y habilidades centrifugar, cristalizar, destilar, decantar, etc. • Interpretar resultados experimentales. • Contrastar una teoría con datos experimentales. • Manejar con soltura el concepto de mol para calcular cantidades de sustancia.

Actitudes

• Valorar la importancia del método científico para el avance de la ciencia. • Apreciar el rigor del trabajo de laboratorio. • Ser cuidadosos y ordenados en el trabajo de laboratorio respetando la seguridad de todos los presentes.

EDUCACIÓN EN VALORES 1 Educación no sexista En esta unidad aparece el nombre de destacados científicos, todos ellos, varones. No obstante, la mujer de Lavoisier tuvo un papel destacado en el trabajo científico de su marido. Partiendo de la imagen que muestra a la pareja trabajando, se puede proponer a los alumnos una reflexión acerca de este hecho. Se les puede sugerir que tengan en cuenta la época histórica en la que se encuadra la acción y que la contrasten con la situación que se vive actualmente.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN 1. Reconocer si una muestra material es una sustancia pura (elemento o compuesto) o una mezcla (homogénea o heterogénea). 2. Conocer las técnicas de separación de mezclas más habituales del laboratorio. 3. Establecer el procedimiento experimental adecuado para separar los componentes de una mezcla. 4. Definir e interpretar las leyes ponderales. 5. Conocer la teoría atómica de Dalton e interpretar, sobre su base, la composición de la materia. 6. Definir e interpretar las leyes volumétricas. 7. Conocer la teoría atómico-molecular e interpretar con ella la fórmula de moléculas sencillas. 8. Determinar la cantidad de una sustancia en mol y relacionarla con el número de partículas de los elementos que integran su fórmula. 9. Obtener la composición centesimal de un compuesto. 10. Hallar la fórmula empírica y la fórmula molecular de un compuesto a partir de datos analíticos (composición centesimal).

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Además de este libro, al profesor se le ofrece como material de apoyo la Guía con recursos didácticos fotocopiables para cada unidad: problemas resueltos, fichas con aplicaciones y curiosidades y anécdotas, banco de datos y experiencias.

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1 La teoría atómico-molecular 1.

En general, el volumen de los cuerpos aumenta al aumentar la temperatura. Explica si la densidad de los cuerpos, en general, aumenta o disminuye al aumentar la temperatura.

SOLUCIONARIO

de la materia 4.

La densidad de un cuerpo representa su masa por unidad de volumen. Al aumentar la temperatura suele aumentar el volumen de los cuerpos, pero su masa permanece invariada. En consecuencia, al aumentar la temperatura de los cuerpos, en general, disminuye su densidad. 2.

Conociendo el volumen de la esfera de 3 cm de radio podemos determinar su masa en el caso de que sea de plomo y en el caso de que sea de aluminio. Para ello necesitamos el dato de la densidad que aparece en el problema 2.

Expresa en unidades del SI la densidad de las sustancias que se recogen en la tabla siguiente. Sustancia

1 kg/L 1,3 g/L

Aceite

Densidad =

Densidad (a 25 °C y 1 atm)

Agua Aire

V=

0,88 g/mL

Plomo

11,35 g/cm3

Aluminio

2700 kg/dm3

• d agua = 1

g 103L 10−3 kg kg ⋅ ⋅ = 1, 3 3 L 1m3 1g m

• d aceite = 0,88

g 106 mL 10−3 kg kg ⋅ ⋅ = 880 3 mL 1m3 1g m

kg g 106 cm3 10−3 kg = 11, 35 ⋅ 103 3 • dplomo = 11,35 cm3 ⋅ 1 m3 m 1g kg 10 3 dm3 kg = 2.700 3 • d aluminio = 2,7 dm3 ⋅ 1m3 m El agua presenta un comportamiento anómalo con respecto a su dilatación que hace que entre 0 y 4 °C su volumen disminuya al aumentar la temperatura. Utiliza este hecho para explicar por qué el agua se encuentra en estado líquido debajo de la capa de hielo del Ártico. Entre 0 y 4 °C el agua tiene una densidad mayor que el hielo. De ahí que el hielo flota sobre ella creando una capa aislante que permite que el agua se mantenga líquida en una capa inferior.

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g ⋅ 113,1 cm3 = 1.283,7 g = 1,28 kg cm3 kg 10−3 dm ⋅ 113,1 cm3 = 0,31kg dm3 1 cm3

• mplomo = 11,35 •

maluminio = 2,7

El aluminio es uno de los metales más ligeros. Ocupando el mismo volumen, su masa es mucho menor que la de la bola de plomo.

kg 103 L kg ⋅ = 10 3 3 L 1m3 m

• d aire = 1,3

Masa →m=d⋅V; Volumen

4 3 4 πr = π33 cm3 = 113,1 cm3 3 3

Por tanto:

Se trata de expresar la densidad en kg/m3:

3.

Tenemos una bola de plomo y otra de aluminio de 3 cm de diámetro. ¿Cuál es su masa? Explica, a partir de este resultado, por qué se prefieren las bicicletas de aluminio frente a las de otros metales. 4 3 πr . Dato: volumen de la esfera → V = 3

5.

En los platillos de una balanza colocamos dos vasos de cristal exactamente iguales. En uno de ellos echamos 100 mL de aceite. ¿Cuál debe ser el diámetro de la bola de plomo que introduzcamos en el interior del otro vaso para que la balanza esté equilibrada? Para que esté equilibrada, los dos deben tener la misma masa. Conociendo el dato de la densidad, podemos calcular la masa de 100 mL de aceite y luego determinar el volumen (que nos permitirá conocer el diámetro) de una bola de plomo que tenga la misma masa. Densidad =

g Masa ; maceite = 0,88 ⋅ 100 mL = 88 g ; mL Volumen

→ Vplomo =

→V =

88 g m = = 7,75 cm3 → g dplomo 11,35 cm3

4 3V 3 ⋅ 7,75 cm3 πr 3r = 3 = 3 = 1,23 cm → 3 4π 4π → 21,23 = 2, 46 cm de diámetro

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La teoría atómico-molecular de la materia

PRESENTACIÓN Esta unidad se centra en el conocimiento de la materia sobre la que va a tratar el estudio de este curso de Química. Con independencia del modo en que se presente, los alumnos aprenderán a aislar las sustancias puras. También es importante que el alumno asuma el rigor que debe sustentar el trabajo científico y para ello nada mejor que seguir los pasos que permitieron establecer la primera teoría científica sobre la constitución de la materia.

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1 La teoría atómico-molecular OBJETIVOS • Diferenciar entre sustancia pura y mezcla. • Distinguir entre mezclas homogéneas y heterogéneas. • Conocer los procedimientos físicos que permiten separar los componentes de una mezcla. • Conocer las experiencias que permitieron establecer las leyes que rigen las combinaciones de las sustancias expresadas en masa (leyes ponderales). • Entender la teoría atómica de Dalton como una consecuencia de las leyes ponderales. • Conocer las leyes que rigen las combinaciones de las sustancias gaseosas expresadas en unidades de volumen (leyes volumétricas). • Interpretar los resultados de las leyes volumétricas mediante la hipótesis de Avogadro. • Explicar la composición de la materia sobre la base de la teoría atómico-molecular. • Manejar con soltura el mol como unidad de medida de la cantidad de sustancia. • Cbtener la fórmula de un compuesto a partir de datos analíticos (composición centesimal).

CONTENIDOS Conceptos

• Formas de presentarse la materia. Sustancias puras y mezclas. Elementos y compuestos. Mezclas homogéneas y heterogéneas. • Técnicas experimentales para separar los componentes de una mezcla. • Leyes ponderales de la materia (Ley de Lavoisier, Ley de Proust, Ley de Dalton). • Interpretación de las leyes ponderales. Teoría atómica de Dalton. • Leyes volumétricas de la materia (Ley de Gay-Lussac). • Interpretación de las leyes volumétricas. Hipótesis de Avogadro. • Teoría atómico molecular. • El mol como unidad de medida. • Fórmula empírica y fórmula molecular. Obtención a partir de la composición centesimal de las sustancias.

Procedimientos, • Elección del material de laboratorio adecuado para una operación. destrezas • Utilizar técnicas básicas de laboratorio para separar mezclas: filtrar, y habilidades centrifugar, cristalizar, destilar, decantar, etc. • Interpretar resultados experimentales. • Contrastar una teoría con datos experimentales. • Manejar con soltura el concepto de mol para calcular cantidades de sustancia.

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de la materia Actitudes

• Valorar la importancia del método científico para el avance de la ciencia. • Apreciar el rigor del trabajo de laboratorio. • Ser cuidadosos y ordenados en el trabajo de laboratorio respetando la seguridad de todos los presentes.

EDUCACIÓN EN VALORES 1. Educación no sexista En esta unidad aparece el nombre de destacados científicos, todos ellos, varones. No obstante, la mujer de Lavoisier tuvo un papel destacado en el trabajo científico de su marido. Partiendo de la imagen que muestra a la pareja trabajando, se puede proponer a los alumnos una reflexión acerca de este hecho. Se les puede sugerir que tengan en cuenta la época histórica en la que se encuadra la acción y que la contrasten con la situación que se vive actualmente.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN 1. Reconocer si una muestra material es una sustancia pura (elemento o compuesto) o una mezcla (homogénea o heterogénea). 2. Conocer las técnicas de separación de mezclas más habituales del laboratorio. 3. Establecer el procedimiento experimental adecuado para separar los componentes de una mezcla. 4. Definir e interpretar las leyes ponderales. 5. Conocer la teoría atómica de Dalton e interpretar, sobre su base, la composición de la materia. 6. Definir e interpretar las leyes volumétricas. 7. Conocer la teoría atómico-molecular e interpretar con ella la fórmula de moléculas sencillas. 8. Determinar la cantidad de una sustancia en mol y relacionarla con el número de partículas de los elementos que integran su fórmula. 9. Obtener la composición centesimal de un compuesto. 10. Hallar la fórmula empírica y la fórmula molecular de un compuesto a partir de datos analíticos (composición centesimal).

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En general, el volumen de los cuerpos aumenta al aumentar la temperatura. Explica si la densidad de los cuerpos, en general, aumenta o disminuye al aumentar la temperatura. La densidad de un cuerpo representa su masa por unidad de volumen. Al aumentar la temperatura suele aumentar el volumen de los cuerpos, pero su masa permanece invariada. En consecuencia, al aumentar la temperatura de los cuerpos, en general, disminuye su densidad.

2.

Expresa en unidades del SI la densidad de las sustancias que se recogen en la tabla siguiente. Sustancia

Densidad (a 25 °C y 1 atm)

Agua

1 kg/L

Aire

1,3 g/L

Aceite

0,88 g/mL

Plomo

11,35 g/cm3

Aluminio

2700 kg/dm3

Se trata de expresar la densidad en kg/m3: • d agua = 1

kg 10 3 L kg ⋅ = 10 3 3 3 L 1m m

• d aire = 1,3

g 10 3L 10−3 kg kg ⋅ ⋅ = 1, 3 3 3 L 1m 1g m

• d aceite = 0,88

g 106 mL 10−3 kg kg ⋅ ⋅ = 880 3 mL 1m3 1g m

g 106 cm3 10−3 kg kg = 11, 35 ⋅ 10 3 3 • dplomo = 11,35 cm3 ⋅ 1m3 1g m kg 10 3 dm3 kg • d aluminio = 2,7 dm3 ⋅ 1m3 = 2.700 m3 3.

El agua presenta un comportamiento anómalo con respecto a su dilatación que hace que entre 0 y 4 °C su volumen disminuya al aumentar la temperatura. Utiliza este hecho para explicar por qué el agua se encuentra en estado líquido debajo de la capa de hielo del Ártico. Entre 0 y 4 °C el agua tiene una densidad mayor que el hielo. De ahí que el hielo flota sobre ella creando una capa aislante que permite que el agua se mantenga líquida en una capa inferior.

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SOLUCIONARIO

de la materia 4.

Tenemos una bola de plomo y otra de aluminio de 3 cm de diámetro. ¿Cuál es su masa? Explica, a partir de este resultado, por qué se prefieren las bicicletas de aluminio frente a las de otros metales. 4 3 πr . Dato: volumen de la esfera → V = 3 Conociendo el volumen de la esfera de 3 cm de radio podemos determinar su masa en el caso de que sea de plomo y en el caso de que sea de aluminio. Para ello necesitamos el dato de la densidad que aparece en el problema 2. Densidad =

V=

Masa →m=d⋅V; Volumen

4 3 4 πr = π33 cm3 = 113,1 cm3 3 3

Por tanto: g ⋅ 113,1 cm3 = 1.283,7 g = 1,28 kg cm3 kg 10−3 dm = 2,7 ⋅ 113,1 cm3 = 0,31kg dm3 1 cm3

• mplomo = 11,35 •

maluminio

El aluminio es uno de los metales más ligeros. Ocupando el mismo volumen, su masa es mucho menor que la de la bola de plomo. 5.

En los platillos de una balanza colocamos dos vasos de cristal exactamente iguales. En uno de ellos echamos 100 mL de aceite. ¿Cuál debe ser el diámetro de la bola de plomo que introduzcamos en el interior del otro vaso para que la balanza esté equilibrada? Para que esté equilibrada, los dos deben tener la misma masa. Conociendo el dato de la densidad, podemos calcular la masa de 100 mL de aceite y luego determinar el volumen (que nos permitirá conocer el diámetro) de una bola de plomo que tenga la misma masa. Densidad =

Masa g ; maceite = 0,88 ⋅ 100 mL = 88 g ; Volumen mL

→ Vplomo =

→V =

m 88 g = = 7,75 cm3 → g dplomo 11,35 cm3

4 3V 3 ⋅ 7,75 cm3 πr 3r = 3 = 3 = 1,23 cm → 3 4π 4π → 21,23 = 2, 46 cm de diámetro

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En sus experiencias, Lavoisier explicó el aumento de peso que experimentaban los metales cuando se calentaban al aire diciendo que se combinaban con alguno de los componentes del aire. Diseña un experimento que te permita dar una explicación científica al hecho de que cuando se quema un trozo de madera se obtienen unas cenizas que pesan mucho menos que la madera original. Si hacemos la combustión en un recipiente cerrado, las maderas se quemarán al reaccionar con algún componente del aire que está en contacto con ellas. Además de las cenizas, se producirán gases que se mantendrán en el recipiente, ya que está cerrado. Si pesamos el recipiente antes y después de la combustión, podremos comprobar que la masa no varía, lo que indica que se cumple la ley de Lavoisier.

7.

Para tratar de reproducir la experiencia de Lavoisier, introducimos 6,3 g de cobre en un recipiente, lo cerramos herméticamente y lo pesamos, y comprobamos que contiene 10 g de aire. Al calentarlo observamos que el metal se ha transformado en 8 g de óxido de cobre. ¿Cuánto pesará el aire que hay en el tubo? La masa del sistema se debe conservar: Masa del cobre + masa del aire antes de la reacción = masa del óxido + masa del aire después de la reacción 6,3 g + 10 g = 8 g + masa aire después → masa aire después = 8,3 g

8.

En una muestra de sal común se encontró que había 4,6 g de sodio y 7,1 g de cloro. a) ¿Cuál es la masa de la muestra? b) ¿Qué cantidad de cloro y de sodio habrá en una muestra de 2,3 g de sal? a) Masa muestra = masa sodio + masa cloro = 4,6 g + 7,1 g = 11,7 g b) En cualquier muestra de sal, el cloro y el sodio mantienen la proporción que se indica en el enunciado: 2,3 g de sal ⋅

4,6 g de sodio

2,3 g de sal ⋅

7,1 g de cloro

11,7 g de sal 11,7 g de sal

= 0,9 g de sodio = 1,40 g de cloro

Compruébese que su suma coincide con la masa de la muestra de sal.

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SOLUCIONARIO

de la materia 9.

En un laboratorio se han analizado tres muestras de cloro y cobre, obteniéndose los siguientes resultados para cada una: Muestra

Masa de cobre (g)

Masa de cloro (g)

A

6,3

3,5

B

1,3

0,7

C

3,2

2,7

Determina si las muestras A, B y C pertenecen al mismo compuesto. Si pertenecen al mismo compuesto, la proporción en la que se combinan el cobre y el cloro será la misma: Muestra

Masa de cobre (g)

Masa de cloro (g)

Masa de cobre/masa de cloro

A

6,3

3,5

1,8

B

1,3

0,7

1,86

C

3,2

2,7

1,2

Las muestras A y B pertenecen al mismo compuesto. 10.

En la siguiente tabla se recogen los resultados de una serie de experiencias en las que se hace reaccionar bromo y calcio para formar bromuro de calcio. Copia la tabla en tu cuaderno y realiza los cálculos para completar el contenido de las casillas que faltan: Experiencia

Calcio (g)

Bromo (g)

Bromuro de calcio (g)

A

0,4

1,6

2

B

1,5

0,8

C

1,2

D

Calcio que Bromo que sobra (g) sobra (g) 0

6 5

E

4,2

0

1,5 1,3

0

0

0

• La experiencia A nos permite conocer en qué proporción se combinan los dos elementos, ya que no sobra ningún elemento. • En la experiencia B determinamos el reactivo limitante. Por los datos de la experiencia A debe ser el bromo. Calculamos la cantidad de bromuro de calcio que se obtiene y la de calcio que sobra: 0,8 g de bromo ⋅ 0,8 g de bromo ⋅

0,4 g de calcio 1,6 g de bromo

2 g de bromuro de calcio 1,6 g de bromo

= 0,2 g de calcio = 1 g de bromuro de calcio

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1 La teoría atómico-molecular • En la experiencia C, la cantidad de bromuro de calcio nos permite conocer la cantidad que reacciona de cada elemento: 1,6 g de bromo

6 g de bromuro de calcio ⋅

2 g de bromuro de calcio

= 4,8 g de bromo

• Por diferencia obtenemos la cantidad de calcio que reacciona: 6 g de bromuro de calcio − 4,8 g de bromo = = 1,2 g de calcio que reaccionan • En la experiencia D, la cantidad de bromo que reacciona nos permite conocer la cantidad de bromuro de calcio que se obtiene: 5 g de bromo ⋅

2 g de bromuro de calcio 1,6 g de bromo

= 6,25 g de bromuro de calcio

• Por diferencia obtenemos la cantidad de calcio que reacciona: 6,25 g de bromuro de calcio − 5 g de bromo = = 1,25 g de calcio que reaccionan • En la experiencia E, la cantidad de bromuro de calcio nos permite conocer la cantidad que reacciona de cada elemento. Como no sobra ninguno, esa será la cantidad inicial de cada elemento: 4,2 g de bromuro de calcio ⋅

1,6 g de bromo 2 g de bromuro de calcio

= 3,36 g de bromo

• Por diferencia obtenemos la cantidad de calcio que reacciona: 4,2 g de bromuro de calcio − 3,36 g de bromo = = 0,84 g de calcio que reaccionan

12

Experiencia

Calcio (g)

Bromo (g)

Bromuro de calcio (g)

Calcio que Bromo que sobra (g) sobra (g)

A

0,4

1,6

2

0

0

B

1,5

0,8

1

1,5 – 0,2 = = 1,3

0

C

1,2

4,8 + 1,5 = = 6,3

6

0

1,5

D

1,25 + 1,3 = = 2,55

5

6,25

1,3

0

E

0,84

3,36

4,2

0

0

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SOLUCIONARIO

de la materia 11.

El C se combina con el O para formar dos compuestos diferentes, A y B. En el compuesto A, 3 g de C se combinan con 4 g de O, y en el compuesto B, 3 g de C se combinan con 8 g de O. Razona la veracidad de cada una de las siguientes frases: a) 3 g de C no se pueden combinar exactamente con 3 g de O. b) 9 g de C se combinan exactamente con 12 g de O para formar el compuesto B. c) 18 g de C se combinan exactamente con 12 g de O para formar el compuesto A. d) 24 g de O se combinan exactamente con 9 g de C para formar el compuesto B. Si la fórmula de B es CO2, ¿cuál es la fórmula de A? Justifícalo. Compuesto

Masa C (g)

Masa O (g)

Masa C / masa O

A

3

4

0,75

B

3

8

0,375

a) No porque no mantiene la proporción del compuesto A ni del B. b) No, porque es la proporción correspondiente al compuesto A: 9 g de C = 0,75 12 g de O c) No, porque no es la proporción del compuesto A: 18 g de C = 1,5 12 g de O d) Si, porque es la proporción del compuesto B: 9 g de C = 0,375 24 g de O e) CO. Porque la misma cantidad de C se combina con el doble de O en B que en A. 12.

El monóxido de dinitrógeno (N2O) es un gas que se utiliza como anestésico dental; se puede obtener en el laboratorio haciendo reaccionar nitrógeno y oxígeno. Copia en tu cuaderno y completa la tabla siguiente teniendo en cuenta que, en todos los casos, tanto los gases que reaccionan como los que se obtienen están en las mismas condiciones de presión y temperatura.

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1 La teoría atómico-molecular Experiencia

Nitrógeno (L)

Oxígeno (L)

Monóxido de dinitrógeno (L)

Nitrógeno que sobra (L)

Oxígeno que sobra (L)

A

3

1,5

3

0

0

0

0

B

5

C

3

D

3

3 2

E F G

0

2,4 1,7 6

1

1

1,5

0

3

• La experiencia A nos indica la proporción en la que participan todos los gases del proceso, ya que no sobra ninguno de los reactivos. El volumen de N2O (3 L) que se obtiene es el mismo que el de N2 (3 L) que reacciona y el doble que el de O2 (1,5 L) que reacciona. • En la experiencia B no sobra ninguno de los reactivos. Con las proporciones que se derivan de la experiencia A calculamos el volumen de los otros dos participantes: 5 L de O2 ⋅

3 L de N2O 1,5 L de O2

= 10 L de N2O

• El volumen de N2 es el mismo que el de N2O. • En la experiencia C solo pueden reaccionar 3 L de N2. El resultado de la experiencia A nos permite calcular las restantes cantidades. • En la experiencia D la cantidad de N2O que se obtiene indica la cantidad de N2 que reacciona; la diferencia con la cantidad que hay indica la cantidad de N2 que sobra. Como no sobra O2, la cantidad que hay inicialmente es la que reacciona, un volumen que es la mitad que el de N2O que se obtiene. • En la experiencia E la cantidad de N2O que se obtiene permite conocer el volumen de N2 y O2 que reacciona. Sumando la cantidad de cada uno que sobra tendremos la cantidad inicial. • En la experiencia F se indica que no sobra O2. Por tanto, la cantidad inicial es la misma que reacciona. Esto nos permite calcular la cantidad de N2O que se obtiene y la de N2 que reacciona. Como sobran 1,5 L de N2, lo sumaremos a la cantidad de reacciona para conocer la cantidad inicial de N2. • En la experiencia G la cantidad de N2O que se obtiene permite conocer el volumen de N2 y O2 que reacciona. Suponemos que no sobra O2. Por tanto, la cantidad inicial es la misma que reacciona. Esto nos permite calcular la cantidad de N2O que se obtiene y la de N2 que reacciona. Por diferencia podremos conocer la cantidad de N2 que sobra.

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SOLUCIONARIO

de la materia

13.

Experiencia

Nitrógeno (L)

Oxígeno (L)

Monóxido de dinitrógeno (L)

Nitrógeno que sobra (L)

Oxígeno que sobra (L)

A

3

1,5

3

0

0

B

10

5

10

0

0

C

3

3

3

0

3 – 1,5 = = 1,5

D

3

1,5

2

3–2=1

0

E

2,4 + 1 = = 3,4

1,2 + 1 = = 2,2

2,4

1

1

F

3,4 + 1,5 = = 4,9

1,7

1,7 · 2 = 3,4

1,5

0

G

6

1,5

3

6–3=3

0

Estudia los resultados de las reacciones entre gases que se comentan en este tema y analiza si es posible enunciar una «ley de la conservación del volumen» análoga a la «ley de conservación de la materia». No se puede enunciar una ley de conservación del volumen en las reacciones químicas; solo se conserva la masa. Se puede citar como ejemplo la reacción de formación del amoniaco a partir del nitrógeno y el hidrógeno.

14.

En una muestra de 4 g de azufre, ¿cuántos moles de azufre tenemos? ¿Cuántos átomos? Dato: masa atómica del azufre = 32 u. M (S) = 32

g 1mol de S → 4 g de S ⋅ = 0,125 mol de S → mol 32 g de S

→ 0,125 mol de S ⋅ 15.

6, 022 ⋅ 1023 átomos de S 1 mol de S

¿Cuantos gramos de radio tendremos en mil billones de átomos de ese elemento. ¿Y si los átomos fuesen de silicio? Datos: masa atómica del radio = 226 u; masa atómica del silicio = 28,1 u. 10 3 ⋅ 1012 átomos de Ra ⋅

226 g de Ra 6, 022 ⋅ 10

10 3 ⋅ 1012 átomos de Si ⋅ 16.

= 7,53 ⋅ 1022 átomos de S

23

átomos de Ra

28,1 g de Si 6, 022 ⋅ 1023 átomos de Si

= 3,75 ⋅ 10−7 g de Ra = 4,67 ⋅ 10−8 g de Si

En un recipiente tenemos 5 ⋅ 1018 átomos de un elemento que pesan 0,543 mg. ¿Cuál es la masa atómica de ese elemento? ¿De qué elemento se trata? 0,543 ⋅ 10−3 g 5 ⋅ 1018 átomos

⋅

6, 022 ⋅ 1023 átomos g = 65,4 1moll mol

Se trata del cinc.

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Determina la composición centesimal del butano (C4H10). M (C4H10 ) = 4 ⋅ 12 + 10 ⋅ 1 = 58

g → mol

4 ⋅ 12 g de C ⋅ 100 = 82, 8 % de C → 58 g de C 10 ⋅ 1 g de H → ⋅ 100 = 17,2% de H 58 g

→

18.

Determina la composición centesimal del nitrato de calcio: Ca(NO3)2. g M (Ca(NO3 )2 ) = 40,1 + 2 ⋅ 14 + 6 ⋅ 16 = 164,1 → mol 40,1 g de Ca ⋅ 100 = 24,4% de Ca ; → 164,1 g 2 ⋅ 14 g de N ⋅ 100 0 = 17,1% de N ; 164,1 g 6 ⋅ 16 g de O ⋅ 100 = 58,5% de O 164,1 g

19.

Algunos compuestos iónicos cristalizan con un número determinado de moléculas de agua. A estos compuestos se les llama hidratados, y en su fórmula se indica la proporción en la que participa el agua. Por ejemplo, el sulfato de cobre pentahidratado tiene de fórmula CuSO4 ⋅ 5 H2O. Calcula el porcentaje de agua en esta sustancia. M (CuSO4 ⋅ 5 H2O) = 63,5 + 32 + 4 ⋅ 16 + 5 ⋅ (2 ⋅ 1 + 16) = 249,5 →

20.

5 ⋅ 18 g de H2O ⋅ 100 = 36,1% de H2O 249,5 g

El cloruro amónico (NH4Cl) y el nitrato amónico (NH4NO3) se utilizan como abonos. Calcula el porcentaje de nitrógeno de cada compuesto. ¿Cuál es más rico en nitrógeno? M (NH4Cl) = 14 + 4 ⋅ 1 + 35,5 = 53,5 →

g → mol

14 g de N ⋅ 100 = 26,2% de N 53,5 g

M (NH4NO3 ) = 14 + 4 ⋅ 1 + 14 + 3 ⋅ 16 = 80 →

14 ⋅ 2 g de N ⋅ 100 = 35% de N 80 g

El nitrato de amonio es más rico en nitrógeno.

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g → mol

g → mol

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SOLUCIONARIO

de la materia 21.

En la naturaleza hay minerales de óxido de hierro (Fe2O3), como la hematita, y de sulfuro de hierro (FeS), como la pirrotina. Suponiendo que ambos minerales fuesen igual de abundantes, determina cuál es el más adecuado para obtener el metal hierro. M (Fe2O3 ) = 2 ⋅ 55, 8 + 3 ⋅ 16 = 159,6 →

g → mol

2 ⋅ 55,8 g de Fe ⋅ 100 = 69,9% de Fe 159,6 g

M (FeS) = 55, 8 + 32 = 87,8 →

g → mol

55,8 g de Fe ⋅ 100 = 63,5% de Fe 87,8 g

La pirrotina es más rica en hierro. 22.

De los siguientes hechos, ¿cuáles serían estudiados por la física y cuáles por la química? a) La fuerza que se necesita para partir un trozo de mármol en fragmentos pequeños. b) La estructura cristalina del mármol. c) Hasta qué temperatura se puede calentar el mármol sin que funda. d) La capacidad del mármol para conducir la electricidad. e) El comportamiento del mármol cuando lo ataca un ácido. f) Hasta qué temperatura se puede calentar el mármol antes de que se descomponga. g) Cómo se forma el mármol en la naturaleza. Serían estudiados por la química todos los que impliquen un conocimiento de la estructura de la materia o cambios que afecten a la naturaleza de las sustancias: b, e, f y g. Serán estudiados por la física los cambios que no afectan a la naturaleza de las sustancias: a, c y d.

23.

Copia en tu cuaderno y completa la tabla siguiente: Sustancia pura

Elemento Compuesto

Mezcla homogénea

Mezcla heterogénea

Aire Agua del mar Leche Acero Infusión Butano Madera

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1 La teoría atómico-molecular Sustancia Elemento Compuesto pura

Mezcla homogénea

Aire

X

Agua del mar

X

Leche

X

Acero

X

Infusión

X

Butano

X

Madera

24.

Mezcla heterogénea

X

En un bote que contenía pequeñas puntas de acero han echado una mezcla de arena y sal. Indica qué procedimiento seguirías para separarlos y poder tener en un bote las puntas, en otro la arena y en otro la sal. Pasando un imán por la mezcla podemos separar las puntas de hierro. Añadiendo agua al resto disolveremos la sal. Filtrando por gravedad podemos separar la arena. Evaporando el agua podemos recuperar la sal.

25.

Relaciona las siguientes frases con la ley o hipótesis a la que corresponden: 1. La materia no se crea ni se destruye. 2. Los elementos A y B se combinan unas veces en una proporción, y otras veces, en otra diferente. 3. En una reacción química se transforma la materia. 4. Si 2,53 g de A se combinan con 1,32 g de B para formar un compuesto, 2,13 g de A no se pueden combinar con 0,66 g de B. 5. La masa de los productos de una reacción coincide con la masa de sus reactivos. 6. A y B se combinan siempre en la misma proporción. 7. En las mismas condiciones de presión y temperatura, un recipiente que tenga un gas que ocupe un volumen doble que otro tendrá doble número de moléculas que el otro. 8. La materia se conserva. 9. 1 L de un gas A no se combina nunca con 1,3792 L de otro gas que se encuentre en las mismas condiciones de presión y temperatura que él. 10. Si A y B dan dos compuestos diferentes, puede que en un caso se combinen 1,57 g de A con 2 g de B y, en otro, 3,14 g de A se combinan con 2 g de B.

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SOLUCIONARIO

de la materia a) b) c) d) e)

Ley de las proporciones múltiples. Hipótesis de Avogadro. Ley de las proporciones definidas. Ley de la conservación de la masa. Ley de los volúmenes de combinación. 1. La materia no se crea ni se destruye. 2. Los elementos A y B se combinan a veces en una proporción y otras veces, en otra diferente. 3. En una reacción química se transforma la materia. 4. Si 2,53 g de A se combinan con 1,32 g de B para formar un compuesto, 2,13 g de A no se pueden combinar con 0,66 g de B. 5. La masa de los productos de una reacción coincide con la masa de sus reactivos. 6. A y B se combinan siempre en la misma proporción. 7. En las mismas condiciones de presión y temperatura un recipiente que tenga un volumen doble que otro tendrá doble número de moléculas que el otro. 8. La materia se conserva 9. 1L de un gas A no se va a combinar nunca con 1,3792 L de otro gas que se encuentre en las mismas condiciones de presión y temperatura que él. 10. Si A y B dan dos compuestos diferentes puede que en un caso se combinen 1,57 g de A con 2 g de B y, en otra, 3,14 g de A se combinan con 2 g de B. a) Ley de las proporciones múltiples, 2, 10. b) Hipótesis de Avogadro, 7. c) Ley de las proporciones definidas, 4, 6. d) Ley de la conservación de la materia, 1, 3, 5, 8. e) Ley de los volúmenes de combinación, 9.

26.

Repasa los postulados de la teoría atómico-molecular. Señala en rojo los que se derivan de las leyes ponderales y en azul los que son consecuencia de las leyes volumétricas. Leyes ponderales: 1. Toda la materia está formada por átomos pequeñísimos que son partículas indivisibles e indestructibles. (Hoy sabemos que los átomos no son realmente indivisibles ni indestructibles) 2. Todos los átomos de un elemento son exactamente iguales en masa y en las demás propiedades, y distintos de los átomos de cualquier otro elemento

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1 La teoría atómico-molecular 3. Todas las sustancias, simples y compuestas están formadas por moléculas, que resultan de la unión de átomos del mismo o distintos elementos. 7. En una reacción química los átomos se recombinan y así unas sustancias se transforman en otras diferentes Leyes volumétricas 4. Todas las moléculas de una misma sustancia son iguales entre sí y distintas a las de cualquier otra sustancia 5. Las moléculas de las sustancias simples están formadas por átomos del mismo elemento. Si la molécula está formada por un solo átomo, se identifica con el átomo (ejemplo, el He), si está formada por más de uno, se indica con el símbolo del elemento y un número que indica cuántos átomos están enlazados en una molécula (ejemplo, H2, P4, etc.) 6. Las moléculas de las sustancias compuestas están formadas por átomos de dos o más elementos diferentes que se combinan en relaciones numéricas sencillas (por ejemplo 1:1, HCl, 2:1, H2O, 1:3, NH3, 2:3, N2O3, etc. ) 27.

Corrige y completa la siguiente definición: «La masa atómica relativa de un átomo indica cuántas veces es mayor que el átomo de carbono-12». La masa atómica relativa de un átomo indica cuántas veces es mayor que la doceava parte de la masa del átomo de carbono-12.

28.

Razona si es cierto o no que la masa de 1 mol de gas hidrógeno es 1 g. El gas hidrógeno forma moléculas diatómicas H2. Por tanto, la masa de 1 mol de gas hidrógeno es 2 g. 1 g es la masa de 1 mol de átomos de H.

29.

Corrige y completa la siguiente afirmación: «En la fórmula de un compuesto se indican los símbolos de los elementos que forman y en qué proporción se combinan». En la fórmula empírica de un compuesto se indican los símbolos de los elementos que la forman y en qué proporción se combinan. En la fórmula molecular de un compuesto se indican los símbolos de los elementos que la forman y el número de átomos de cada uno que intervienen en una molécula del compuesto.

30.

20

A continuación se muestra la fórmula de algunas sustancias moleculares. Escribe, en cada caso, su fórmula empírica y su fórmula molecular: a) Tetróxido de dinitrógeno: N2O4.

c) Glucosa: C6H12O6. d) Propano: C3H8.

b) Alcohol etílico: C2H6O.

e) Dióxido de carbono: CO2.

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SOLUCIONARIO

de la materia Tetróxido de Alcohol etílico dinitrógeno

Compuesto

31.

Glucosa

Propano

Dióxido de carbono

Fórmula molecular

N2O4

C2H6O

C6H12O6

C3H8

CO2

Fórmula empírica

NO2

C2H6O

CH2O

C3H8

CO2

Justifica si un compuesto puede tener la siguiente composición centesimal: Ca: 25,32 %; N: 18,03 %; O: 61,05 % 25,32 + 18,03 + 61,05 = 104,4 La suma de todos los porcentajes debe dar 100. Esta diferencia de un 4 % podría deberse a un error experimental.

32.

El magnesio es un metal que se utiliza en la fabricación de fuegos artificiales porque produce fuertes destellos de luz cuando arde. En el proceso se forma óxido de magnesio, un compuesto en el que se combinan 2,21 g de magnesio por cada 1,45 g de oxígeno. En un cohete se han colocado 7 g de cinta de magnesio. ¿Qué cantidad de óxido de magnesio se formará cuando el cohete arda? Cuando forman óxido de magnesio, el magnesio y el oxígeno se combinan siempre en la misma proporción: 7 g de magnesio ⋅

1,45 g de oxígeno = 4,59 g de oxígeno 2,21 g de magnesio

7 g magnesio + 4,59 g oxígeno = 11,59 g de óxido de magnesio 33.

En la siguiente tabla se recogen los resultados de una serie de experiencias en las que se hace reaccionar plata y azufre para formar sulfuro de plata. Copia en tu cuaderno y completa el contenido de las casillas que faltan:

Experiencia

Plata (g)

Azufre (g)

A

3,60

0,54

Plata Sulfuro de Azufre que que sobra plata (g) sobra (g) (g) 0

0

0

B

6,3

0

0

C

5,2

0,5

0,3

1,3

0

D

1,5

E

4,20

F

7,5

2,50 8,2

1,5

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1 La teoría atómico-molecular • La experiencia A indica en qué proporción se combinan exactamente la plata y el azufre. Como no sobra nada, podemos determinar la cantidad de sulfuro de plata que se forma. • En la experiencia B conocemos la cantidad de sulfuro de plata. Como no sobra nada de ningún elemento, podemos calcular la cantidad inicial de cada uno: 6,3 g de sulfuro de plata ⋅

3,60 g de plata 4,14 g de sulfuro de plata

= 5,48 g de plata

• En la experiencia C, la cantidad de sulfuro de plata nos permite conocer la cantidad de plata y azufre que se combina. En cada caso, sumamos la cantidad de elemento que sobra y tendremos la cantidad inicial de plata y de azufre: 5,2 g de sulfuro de plata ⋅

3,60 g de plata 4,14 g de sulfuro de plata

= 4,52 g de plata

5,2 g sulfuro de plata − 4,52 g plata = 0,68 g azufre • En la experiencia D reacciona toda la cantidad de azufre presente, lo que nos permite conocer la cantidad de sulfuro de plata que se forma y la cantidad de plata que reacciona; sumando a esta la cantidad de plata que sobra tendremos la cantidad de plata que había inicialmente: 1,5 g de azufre ⋅

4,14 g de sulfuro de plata 0,54 g de azufre

= 11,5 g de sulfuro de plata

11,5 g sulfuro de plata − 1,5 g azufre = = 10 g de azufre que se combinan • En la experiencia E se nos muestran las cantidades iniciales de los dos elementos y tenemos que determinar cual de ellos actúa de limitante. Comparándolo con las cantidades de la experiencia A, parece que es la plata; lo confirmamos calculando la cantidad de azufre que reaccionan con 4,2 g de plata: 4,20 g de plata ⋅

0,54 g de azufre 3,60 g de plata

= 0,63 g de azufre

2,50 g de azufre inicial − 0,63 g azufre se combinan = = 1,87 g azufre sobran • En la experiencia F, la cantidad de sulfuro de plata nos permite conocer la cantidad de plata y azufre que se combina. Comparando esa cantidad de plata con la inicial, podremos determinar la que so-

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SOLUCIONARIO

de la materia bra. Sumando a la cantidad de azufre que se combina la cantidad que sobra, conoceremos la cantidad inicial de azufre: 8,2 g de sulfuro de plata ⋅

3,60 g de plata

= 7,13 g de plata

4,14 g de sulfuro de plata

8,2 g de sulfuro de plata − 7,13 g de plata = 1,07 g de azufre que se combina

Experiencia

Plata (g)

Azufre (g)

Sulfuro de plata (g)

A

3,60

0,54

3,60 + 0,54 = = 4,14

0

0

B

5,48

6,3 – 5,48 = = 0,82

6,3

0

0

4,52 + 0,5 = 0,68 + 0,3 = = 5,02 = 0,98

5,2

0,5

0,3

1,5

11,5

1,3

0

C D

34.

Plata Azufre que que sobra (g) sobra (g)

E

4,20

2,50

4,20 + 0,63 = 4,83

0

1,87

F

7,5

1,07 + 1,5 = = 2,57

8,2

7,5 – 7,13 = = 0,37

1,5

El cromo y el cloro forman dos compuestos diferentes. En un laboratorio se analizan cuatro muestras y las cantidades de los dos elementos que se obtienen son las siguientes:

Muestra

Cantidad de cromo (g)

Cantidad de bromo (g)

A

0,261

0,356

B

0,150

0,250

C

0,342

0,700

D

0,522

0,713

Entre estas muestras encuentra: a) Dos que pertenecen al mismo compuesto. b) Dos que pertenecen a dos compuestos diferentes que cumplen la ley de las proporciones múltiples. c) La muestra de un compuesto imposible. d) Si la fórmula de un compuesto es CrCl2, ¿cuál es la del otro?

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1 La teoría atómico-molecular En cada caso hay que calcular la proporción en que se combinan los elementos: Muestra

Cantidad de cromo (g)

Cantidad de bromo (g)

Cantidad de cloro (g)

A

0,261

0,356

0,733

B

0,150

0,250

0,600

C

0,342

0,700

0,489

D

0,522

0,713

0,732

a) A y D pertenecen al mismo compuesto. 0, 489 2 ≈ b) La muestra A (o la D) y la C pertenecen a compuestos 0,732 3 diferentes que cumplen la ley de las proporciones múltiples. c) La muestra B es de un compuesto imposible. d) CrCl3. 35.

Cuando 1 L de nitrógeno reacciona con 3 L de hidrógeno se obtienen 2 L de amoniaco. Todas estas sustancias son gases y se encuentran en las mismas condiciones de presión y temperatura. Sabiendo que la molécula de hidrógeno es H2, deduce la fórmula del nitrógeno y la del amoniaco. La hipótesis de Avogadro dice que, en iguales condiciones de presión y temperatura, volúmenes iguales de gases diferentes contienen el mismo número de partículas. Aplicado a este caso, si hay x moléculas en 1 L de nitrógeno, hay 3x moléculas en los 3 L de hidrógeno y 2x moléculas en 2 L de amoniaco. Como x moléculas de nitrógeno dan 2x moléculas de amoniaco, cada molécula de nitrógeno debe tener dos átomos de nitrógeno, y cada molécula de amoniaco, 1 átomo. Los átomos de las 3x moléculas de hidrógeno están en las 2x moléculas de amoniaco; esto implica que cada molécula de hidrógeno debe tener dos átomos de hidrógeno y cada molécula de amoniaco, tres átomos de este elemento

→

Hidrógeno

Nitrógeno

Amoniaco

3 volúmenes V de hidrógeno se combinan con 1 volumen V de nitrógeno y se obtiene un volumen doble (2V) de amoniaco

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SOLUCIONARIO

de la materia 36.

El nitrógeno y el oxígeno forman gases diatómicos. Cuando se combinan dos litros de nitrógeno con un litro de oxígeno en las mismas condiciones de presión y temperatura se forman 2 litros de un gas que se utiliza como anestésico. ¿Cuál es la fórmula de ese nuevo gas? Explica tu razonamiento. La hipótesis de Avogadro dice que, en iguales condiciones de presión y temperatura, volúmenes iguales de gases diferentes contienen el mismo número de partículas. Aplicado a este caso, si hay x moléculas en 1 L de oxígeno, hay 2x moléculas en los 2 L de nitrógeno y 2x moléculas en 2 L del gas. Como x moléculas de oxígeno dan 2x moléculas de gas, cada molécula de oxígeno debe tener dos átomos de oxígeno, y cada molécula del gas, 1 átomo de oxígeno. Los átomos de las 2x moléculas de nitrógeno están en las 2x moléculas del gas; esto implica que si la molécula de nitrógeno es diatómica, cada molécula del gas debe tener dos átomos de ese elemento. La fórmula del gas es N2O.

37.

Consulta la tabla periódica y completa: a) Medio mol de moléculas de agua oxigenada (H2O2) son 17 g y contiene 3,012 ⋅ 1023 moléculas, 6,22 ⋅ 1023 átomos de hidrógeno y un mol de oxígeno. b) 2 mol de gas cloro son 142 g y contienen 12,044 ⋅ 1023 moléculas de cloro y 24,088 ⋅ 1023 átomos de cloro. c) 3 mol de gas argón son 119,7 g y contienen 18,07 ⋅ 1023 átomos de argón.

38.

En una reacción se obtienen 5 ⋅ 1025 átomos de platino. Calcula: a) Cuántos gramos de platino se han obtenido? b) ¿Cuántos moles de platino tendremos? A y b) Leemos en la tabla periódica que 1 mol de platino son 195,1 g. 5 ⋅ 1025 átomos de platino ⋅

195,1 g de platino 6, 022 ⋅ 1023 átomos de platino

=

= 16,2 ⋅ 10 3 g de platino 5 ⋅ 1025 átomos ⋅

39.

1mol 6, 022 ⋅ 1023 átomos de platino

= 83,03 mol

Sabiendo que la masa molar del platino es 195,1 g, ¿cuántos gramos pesará un átomo de platino? 195,1 g = 3,24 ⋅ 10−22 g 6, 022 ⋅ 1023 átomos

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En una cápsula tenemos 4 ⋅ 1022 átomos de un metal y pesan 4,34 g. ¿De qué metal se puede tratar? 4,34 g de metal 4 ⋅ 10

22

átomos

⋅

6, 022 ⋅ 1023 átomos g = 65,34 1mol mol

Se puede tratar del cinc. 41.

Tenemos una muestra de 8 g de dióxido de azufre. a) ¿Cuántos moles de dióxido de azufre tenemos? b) ¿Cuántos átomos de oxígeno tenemos? c) ¿Cuántos gramos de azufre tenemos?

M (SO2) = 32 + 2 · 16 = 64 g/mol → 1mol de SO2 8 g de SO2 ⋅ = 0,125 mol de SO2 64 g de SO2 Por tanto: 0,125 mol de SO2 ⋅ ⋅

6, 022 ⋅ 1023 moléculas de SO2

2 átomos O 1 molécula de SO2

1 mol de SO2 = 1,506 ⋅ 1023 átomos de O

0,125 mol de SO2 ⋅

42.

⋅

32 g de S 1mol de SO2

= 4 g de S

El aluminio se extrae de un mineral denominado bauxita, cuyo componente fundamental es el óxido de aluminio (Al2O3). ¿Qué cantidad, en gramos, de óxido de aluminio necesitamos para obtener 50 g de aluminio? Masa molar de Al2O3 = 2 · 27 + 3 · 16 = 102 g/mol → 102 g de Al2O3 50 g de Al ⋅ = 94,4 g de Al2O3 2 ⋅ 27 g de Al

43.

La arsina es un compuesto de fórmula AsH3. Si disponemos de 0,8 ⋅ 1025 moléculas de arsina: a) b) c) d)

¿Cuántos ¿Cuántos ¿Cuántos ¿Cuántos

moles de arsina tenemos? gramos hay de AsH3? átomos de hidrógeno tenemos? gramos de arsénico tenemos?

M (AsH3) = 74,9 + 3 ⋅ 1 = 77,9 g/mol. a) 0, 8 ⋅ 1025 moléculas de AsH3 ⋅ = 13,28 mol de AsH3

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1mol de AsH3 6, 022 ⋅ 1023 moléculas de AsH3

=

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SOLUCIONARIO

de la materia b) 13,28 mol de AsH3 ⋅

77,9 g de AsH3

= 1, 035 ⋅ 10 3 g de AsH3

1 mol de AsH3

c) 0, 8 ⋅ 1025 moléculas de AsH3 ⋅

3 átomos de H 1 molécula de AsH3

=

= 2, 4 ⋅ 1025 átomos de H d) 13,28 mol de AsH3 ⋅ 44.

74,9 g de As 1 mol de AsH3

= 994,7 g de As

La urea es un compuesto de fórmula CO(NH2)2. Si tenemos 5 ⋅ 1024 moléculas de urea: a) b) c) d)

¿Cuántos ¿Cuántos ¿Cuántos ¿Cuántos

gramos de urea tenemos? moles de oxígeno? gramos de nitrógeno? átomos de hidrógeno?

M (CO(NH2)2) = 12 + 16 + 2 ⋅ (14 + 2 ⋅ 1) = 60 g/mol. a) 5 ⋅ 1024 moléculas de CO(NH2 )2 ⋅ ⋅ ⋅

1mol de CO(NH2 )2 6,0 022 ⋅ 1023 moléculas de CO(NH2 )2 60 g de CO(NH2 )2 1 mol de CO(NH2 )2

⋅

= 498,2 g de CO(NH2 )2 (urea)

b) 5 ⋅ 1024 moléculas de urea ⋅

1mol de O 6, 022 ⋅ 10

23

moléculas de urea

=

= 8,3 mol de O c) 5 ⋅ 1024 moléculas de CO(NH2 )2 ⋅ ⋅ ⋅

1 mol de CO(NH2 )2 6,0 022 ⋅ 1023 moléculas de CO(NH2 )2 14 ⋅ 2 g de N 1 mol de CO(NH2 )2

= 232,5 g de N

d) 5 ⋅ 1024 moléculas de urea ⋅ 45.

⋅

4 átomos de H 1 molécula de urea

= 20 ⋅ 1024 átomos de H

La leche de magnesia se prepara disolviendo hidróxido de magnesio [Mg(OH)2] en agua. Para una reacción necesitamos tener en la disolución 5 ⋅ 1022 átomos de magnesio. Calcula cuántos gramos de hidróxido de magnesio tendremos que disolver.

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1 La teoría atómico-molecular M (Mg(OH)2) = 24,3 + (16 + 1) ⋅ 2 = 58,3 g/mol → 5 ⋅ 1022 átomos de Mg ⋅ 1 mol de Mg(OH)2 1 mol de Mg 46.

⋅

1 mol de Mg 6, 022 ⋅ 1023 átomos de Mg

58,3 g de Mg(OH)2 1 mol de Mg(OH)2

⋅

= 4,84 g de Mg(OH)2

En un recipiente se introducen 50 g de gas oxígeno, y en otro recipiente igual, 50 g de CO2. ¿En qué recipiente hay más moléculas? ¿En qué recipiente hay más átomos?

M (O2) = 16 ⋅ 2 = 32 g/mol; M (CO2) = 12 + 2 ⋅ 16 = 44 g/mol. 50 g de O2 ⋅ 50 g de CO2 ⋅

1 mol de O2 32 g de O2

1 mol de CO2 44 g de CO2

⋅ ⋅

6, 022 ⋅ 1023 moléculas 1 mol de O2 6, 022 ⋅ 1023 moléculas

9, 41 ⋅ 1023 moléculas de O2 ⋅ 6, 84 ⋅ 1023 moléculas de CO2 ⋅

47.

1 mol de CO2 2 átomos 1 molécula de O2 3 átomos 1 molécula de CO2

= 9, 41 ⋅ 1023 moléculas = 6,84 ⋅ 1023 moléculas = 18, 82 ⋅ 1023 átomos = 20,53 ⋅ 1023 átomos

Determina la composición centesimal de la glucosa: C6H12O6.

M (C6H12O6) = 6 ⋅ 12 + 12 + 6 ⋅ 16 = 180 g/mol. 6 ⋅ 12 6 ⋅ 16 ⋅ 100 = 40% de C; ⋅ 100 = 53,33% de O; 180 180 12 ⋅ 100 = 6,67% de H 180 48.

En el carbonato de sodio, por cada gramo de carbono se combinan 4 g de oxígeno y 3,83 g de sodio. Calcula su composición centesimal. 1 4 3% de O; ⋅ 100 = 11,33% de C; ⋅ 100 = 45,33 1 + 4 + 3, 83 1 + 4 + 3, 83 3, 83 ⋅ 100 = 43,37% de Na 1 + 4 + 3, 83

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SOLUCIONARIO

de la materia 49.

El sulfato de hierro (II) cristaliza formando un hidrato de fórmula FeSO4 ⋅ 7 H2O. Determina el porcentaje de agua de hidratación en este compuesto.

M (FeSO4 ⋅ 7 H2O) = 55,8 + 32 + 4 ⋅ 16 + 7 ⋅ (2 ⋅ 1 + 16) = = 277,8 g/mol →

50.

18.7 ⋅ 100 = 45,36% de H2O 277, 8

El azufre y el oxígeno forman un compuesto en el que el 40 % es de azufre. Determina su fórmula. Fórmula del compuesto que buscamos: SxOy. 40 g de S = 1,25 mol de S; 32 g/mol 60 g de O = 3,75 mol de O 16 g/mol Por tanto: S 1,25 O 3,75 → SO3 1,25

51.

1,25

El análisis de un mineral de aluminio revela que está formado por un 34,6 % de aluminio, un 3,8 % de hidrógeno, y el resto, oxígeno. Determina su fórmula. Fórmula del compuesto: AlxHyOz. 34,6 g de Al = 1,281mol de Al; 27 g/mol 3,8 g de H = 3,8 mol de H; 1 g/mol 100 − (34,6 + 3, 8) g de O = 3,85 mol de O 16 g/mol Por tanto: Al 1,28 H 3,8 O 3,85 → AlO3H3 → Al(OH)3 1,28

1,28

1,28

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El nitrógeno y el oxígeno forman muchos compuestos. Uno de ellos tiene de masa molar 92 g/mol y un porcentaje de nitrógeno del 30,43 %. Determina la fórmula empírica y la fórmula molecular de este compuesto. Fórmula del compuesto: NxOy. 30,43 g de N = 2,174 mol de N; 14 g/mol

Por tanto: N 2,174 O 4,348 2,174

2,174

Fórmula empírica: NO2 ⋅ M (NO2) = 14 + 2 ⋅ 16 = 46 g/mol. 92/46 = 2 → Fórmula molecular: N2O4 53.

La sosa Solvay es un producto industrial cuya composición es 43,4 % de sodio, 11,32 % de carbono, y el resto, oxígeno. Determina la fórmula química de este compuesto. Fórmula del compuesto: NaxCyOz. 43,4 g de Na = 1,887 mol de Na; 23 g/mol 11,32 g de C = 0,943 mol de C; 12 g/m mol 100 − (43, 4 + 11, 32) g de O = 2,83 mol de O 16 g/mol Por tanto: Na 1,887 C 0,943 O 0,943

54.

0,943

2,83

→ Na2C1O3 → Na2CO3

0,943

El benceno es un disolvente orgánico formado por carbono e hidrógeno. En un análisis se ha comprobado que se combinan 3 g de carbono con 250 mg de hidrógeno. Determina la fórmula del benceno si su masa molar es 78 g/mol. Fórmula del benceno: CxHy. 3 g de C 0,25 g de H = 0,25 mol de C; = 0,25 mol de H 12 g/mol 1 g/mol

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SOLUCIONARIO

de la materia Fórmula empírica: CH ⋅ M (CH) = 12 + 1 = 13 g/mol. Por tanto: 78 g/mol = 6 → Fórmula molecular: C6H6 13 g/mol 55.

Al calentar 4 g de nitrato de cromo (III) hidratado se obtuvo un residuo de 2,38 g. Determina la fórmula del hidrato. Al calentar la sal hidratada se evapora el agua y queda la sal anhidra: 4 − 2,38 g de agua (H2O) y 2,38 g de nitrato de cromo (III) anhidro (Cr(NO3)3) Fórmula del hidrato: x Cr(NO3)3 ⋅ y H2O ⋅ M (Cr(NO3)3) = 52 + + (14 + 3 ⋅ 16) ⋅ 3 = 238 g/mol: M (H2O) = 2 ⋅ 1 + 16 = 18 g/mol. 2,38 g de Cr(NO3 )3 = 0,01mol de Cr(NO3 )3 ; 238 g/mol 1,62 g de H2O = 0,09 mol de H2O 18 g/mol 0,01 0,09 Cr(NO3 )3 ⋅ H2O 0,01 0,01 . Fórmula del hidrato: Cr(NO3 )3 ⋅ 9 H2O

56.

El aluminio es un metal muy preciado que se puede obtener del óxido de aluminio (Al2O3), producto que se obtiene de la bauxita, o del fluoruro de aluminio (AlF3), producto que se obtiene a partir de la fluorita. Determina cuál de las dos sustancias es más rentable para obtener aluminio. Hay que determinar el porcentaje en aluminio de cada una de las dos sustancias:

M (Al2O3) = 2 ⋅ 27 + 3 ⋅ 16 = 102 g/mol. 2 ⋅ 27 ⋅ 100 = 52,94% de Al 102

M (AlF3) = 27 + 3 ⋅ 19 = 84 g/mol. 27 ⋅ 100 = 32,14% de Al 84 La sustancia más rentable es el óxido de aluminio.

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NOTAS

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Los estados de la materia

PRESENTACIÓN En esta unidad se presentaran los estados de la materia con una breve descripción de los mismos, ya que han sido estudiados con profundidad en cursos anteriores. Nos centraremos en el estudio de los gases y sus leyes. Dentro de cada ley se ha establecido la misma metodología, en primer lugar, se introduce una breve explicación sobre el comportamiento de los gases, para, a continuación, enunciar la ley con sus características, apoyada en un esquemático dibujo. Dos o tres experiencias nos ayudan a verificarla y realizar una gráfica de las variables que interaccionan. Por último un ejercicio de aplicación resuelto y actividades propuestas. La teoría cinética se estudia desde la perspectiva histórica para a continuación explicar los estados de la materia y las leyes de los gases a través de ella.

OBJETIVOS • Conocer la teoría cinética y su interpretación de las características de cada uno de los estados físicos de la materia. • Conocer las leyes experimentales que rigen las transformaciones de los gases. • Emplear la teoría cinética para interpretar el comportamiento de los gases y las leyes experimentales que rigen sus transformaciones. • Deducir leyes generales que expliquen cualquier transformación que experimenten los gases. • Relacionar la cantidad de un gas con medidas indirectas como el volumen del recipiente, la temperatura a la que se encuentra y la presión que ejerce. • Obtener algunas características de un gas a partir de medidas indirectas como su densidad o masa molar. • Estudiar el comportamiento de mezclas de gases por medio de las leyes de los gases ideales. • Apreciar la diferencia entre lo que representa la composición de una mezcla de gases expresada como porcentaje en masa o porcentaje en volumen.

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2 Los estados de la materia CONTENIDOS Conceptos

• La teoría cinética de la materia. • Interpretación de las características de los estados físicos de la materia a partir de la teoría cinética. • Leyes experimentales que rigen las transformaciones de los gases. • Interpretación que da la teoría cinética de la leyes experimentales de los gases. • Leyes generales que explican el comportamiento de los gases. • Relación entre la cantidad de un gas y la medida de otras propiedades físicas. • Leyes que rigen el comportamiento de las mezclas de gases. • La composición de una mezcla de gases y su relación con otras propiedades físicas.

Procedimientos, • Destreza en la utilización de modelos teóricos para explicar hechos experimentales. destrezas y habilidades • Interpretación de gráficas. • Deducción de leyes matemáticas a partir de representaciones gráficas. • Realización de ejercicios numéricos de aplicación de las leyes de los gases. • Capacidad para adaptar leyes generales a situaciones particulares. • Soltura en el cambio de unidades de las magnitudes que caracterizan los gases.

Actitudes

• Valorar la importancia del método científico para el avance de la ciencia. • Reconocer la importancia de la ciencia para explicar problemas y sucesos que ocurren en nuestro entorno próximo.

EDUCACIÓN EN VALORES El estudio del comportamiento de los gases nos va a permitir comprender problemas y sucesos que ocurren en nuestro entorno próximo y tomar decisiones relacionadas con: 1 Educación para la salud El comportamiento de los gases explica porqué el humo del tabaco procedente de un solo fumador puede contaminar una estancia. Esta es la razón de que en los espacios comunes se restrinja el uso del tabaco o se habiliten zonas separadas que permitan conciliar el deseo de unos de fumar tabaco con el de otros que quieren verse libres de sus efectos nocivos o molestos.

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2. Educación cívica La necesidad de ponernos de acuerdo en el reparto de espacios que pueden o no ser utilizados por fumadores nos obliga a considerar situaciones en las que se puede plantear un conflicto de convivencia y estudiar posibles soluciones. Todo esto contribuirá al establecimiento de habilidades democráticas que giren en torno a la idea de respeto hacia los demás. 3. Educación medioambiental Una buena parte de los contaminantes medioambientales proceden de emisiones gaseosas. Su propia dinámica hace que viajen a través de la atmósfera y produzcan daños en lugares alejados de aquel en el que se originaron. Todo esto obliga al establecimiento de normativas internacionales similares a las que se recogen en el Protocolo de Kioto cuyo cumplimiento deberían exigir la ciudadanía a sus propios gobernantes. 4. Educación para el consumidor Algunos productos como perfumes o ambientadores se basan en la capacidad de algunas sustancias para pasar a fase gas y difundirse por un espacio. El conocimiento del comportamiento de los gases nos puede ayudar a elegir el producto más adecuado a la finalidad que deseamos alcanzar.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN 1. Conocer los postulados de la teoría cinética e interpretar, en base a ella, las características de los estados de la materia. 2. Conocer las leyes experimentales que rigen las transformaciones de los gases. 3. Interpretar gráficas P-V, V-T y P-T y deducir las leyes físicas y matemáticas correspondientes. 4. Interpretar las leyes experimentales de los gases sobre la base de la teoría cinética. 5. Resolver problemas numéricos que se refieran a cualquier transformación que experimente un gas, utilizando ecuaciones generales. 6. Calcular la masa de un gas a partir de la medición de otras propiedades como el volumen del recipiente, la temperatura a la que se encuentra y la presión que ejerce. 7. Relacionar algunas propiedades de un gas, como su densidad o su masa molar, con otras medidas físicas (P, V o T). 8. Hacer cálculos relativos a una mezcla de gases (presión que ejerce uno de los componentes, proporción de ese componente, etc.). 9. Distinguir, mediante cálculos, entre composición en masa y composición en volumen de una mezcla de gases.

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2 Los estados de la materia 1.

En qué estado físico se encuentran las siguientes sustancias a 70 °C: a) Azufre. b) Éter etílico. c) Butano.

d) Octano. e) Acetona. f) Alcohol etílico.

Teniendo en cuenta la tabla de puntos de fusión y de ebullición que aparece en la página 31: a) Azufre: sólido. b) Éter etílico: gas. c) Butano: gas. d) Octano: líquido. e) Acetona: gas. f) Alcohol etílico: líquido. 2.

Una técnica de cocina consiste en colocar sobre el fuego una plancha metálica y asar sobre ella los alimentos. Observa la tabla de esta página y da alguna razón por la que estas planchas suelen ser de hierro y no son nunca de plomo. A la presión de 1 atmósfera, el plomo funde a 327 ºC, mientras que el hierro lo hace a 1 538 ºC. Esto permite cocinar los alimentos a una temperatura más alta y en menos tiempo.

3.

En algunos trabajos se unen piezas soldándolas con un metal. En las vidrieras se unen vidrios de colores enmarcándolas y soldándolas con plomo. Da una razón de por qué se utiliza este metal y no otro de precio similar, como por ejemplo el hierro. A la presión de 1 atm el plomo funde a 327 ºC, mientras que el hierro lo hace a 1 538 ºC. Esto permite unir las piezas de vidrio por medio del metal fundido sin necesidad de calentar a temperaturas muy altas, lo que podría resquebrajar el vidrio.

4.

Indica cuál de las siguientes gráficas representa la variación de la presión de un gas al modificar el volumen del recipiente, manteniendo constante la temperatura: a)

b)

1/V

c)

V

PV

P

A temperatura constante, P ⋅ V = cte.

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P

P

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SOLUCIONARIO

• La gráfica a) indica que P es directamente proporcional a 1/V. Da una representación correcta de la ley. • La gráfica b) indica que P y V son inversamente proporcionales. Da una representación correcta de la ley. • La gráfica c) indica que el producto de PV es constante a cualquier presión. También es coherente con la ley. Las tres gráficas representan de forma coherente la variación de la presión de un gas al modificar el volumen del recipiente, manteniendo constante la temperatura. 5.

En un cilindro de émbolo móvil tenemos un gas a temperatura constante que ejerce una presión de 350 mm de Hg cuando el volumen del cilindro es de 2 L. ¿Qué presión ejercerá el gas si desplazamos el émbolo hasta que el volumen sea de 250 cm3? V1 = 2 L

V2 = 250 cm3

P1 = 350 mm Hg

De acuerdo con la ley de Boyle-Mariotte, a temperatura constante: P1 ⋅ V1 = P2 ⋅ V2 → 350 mm Hg ⋅ 2 L = P2 ⋅ 0,25 L → → P2 =

6.

350 mm Hg ⋅ 2 L = 2800 mm Hg 0,25 L

¿En cuánto cambia la presión de un gas si su temperatura pasa de 20 a 40 °C manteniendo constante su volumen? De acuerdo con la ley de Gay-Lussac, a volumen constante: P1 P P1 P2 = 2 → = → T1 T2 (20 + 273) K (40 + 273) K → P2 =

7.

313 K ⋅ P1 = 1, 07P1 293 K

Manteniendo el volumen constante duplicamos la presión de un gas. ¿Qué ocurrirá con la temperatura? De acuerdo con la ley de Gay-Lussac, a volumen constante: P1 P P 2P1 2 ⋅ P1 ⋅ T1 = 2 → 1 = → T2 = = 2T1 → T1 T2 T1 T2 P1 → Se duplica la temperatura absoluta.

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Las tres gráficas siguientes pueden representar la relación que hay entre el volumen y la temperatura de un gas cuando experimenta transformaciones a presión constante. Indica qué magnitud se debe representar en cada eje: a)

b)

c)

De acuerdo con la ley de Charles, cuando la presión se mantiene constante, el volumen es directamente proporcional a la temperatura absoluta de un gas. V = cte. T La gráfica a) representa dos magnitudes directamente proporcionales. En un eje se representa V; y en otro, T absoluta. La gráfica b) representa dos magnitudes inversamente proporcionales. En un eje se representa V; y en otro, 1/T absoluta. (o T y 1/V). La gráfica c) representa dos magnitudes directamente proporcionales con ordenada en el origen. En el eje de abscisas se representa la temperatura centígrada y en el de ordenadas, el volumen. El volumen tiende a 0 cuando la temperatura tiende a −273 °C. 9.

En un recipiente de pared móvil tenemos una cierta cantidad de gas que ocupa 500 mL y se encuentra a 10 °C. ¿Qué volumen ocupará si el gas se enfría hasta −10 °C sin que varíe la presión? T1 = 10 °C

T2 = −10 °C

V1 = 500 mL

P = cte.

V1 = ?

De acuerdo con la ley de Charles, cuando la presión de un gas ideal se mantiene constante, el volumen es directamente proporcional a su temperatura absoluta. V1 V V2 500 mL = 2 → = → T1 T2 (273 + 10) K (273 − 10) K → V2 =

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500 mL ⋅ 263 K = 464,7 mL 283 K

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SOLUCIONARIO

10.

Deduce, de forma similar, la ley de Charles-Gay Lussac. La ecuación de estado de los gases ideales dice: P1 ⋅ V1 P ⋅V = 2 2 T1 T2 A P = cte.: P1 ⋅ V1 T1

11.

=

P2 ⋅ V2 T2

→

V1 V = 2 T1 T2

Deduce la ecuación de estado de los gases ideales suponiendo que el gas pasa del estado 1 → a en un proceso a volumen constante y de a → 2 en un proceso a temperatura constante. Estado 2 P2, V2, T2 F

Estado 1 P1, V1, T1 1 → a, V = cte. V1 = Va F

Estado a Pa, Va, Ta

a → 2, T = cte. Ta = T2

• Transformación 1 → a, V = cte. Se cumple la ley Gay-Lussac: P ⋅T Pa = 1 T1 • Transformación a → 2, a T = cte. Se cumple la ley de de BoyleMariotte: Pa ⋅ Va = P2 ⋅ V2 Teniendo en cuenta que V1 = Va y Ta = T2, estas expresiones se transforman: P1 P = a → Pa ⋅ V1 = P2 ⋅ V2 T1 T2 Despejamos Pa en ambas expresiones y las igualamos: P ⋅T P 2 ⋅ V2 P ⋅T P 2 ⋅ V2 Pa = 1 e ; Pa = → 1 2 = T1 V1 T1 V1 Reordenamos la expresión poniendo todo lo que se refiere al estado 1 en un miembro y lo que se refiere al estado 2 en el otro: P1 ⋅ V 1 P ⋅V 2 = 2 → Ecuación general de los gases ideales T1 T2 12.

¿Es posible que un gas experimente una transformación en la que se mantenga constante el volumen que ocupa y la presión que ejerce? Para que esto suceda también debe permanecer constante la temperatura, con lo que el gas no sufriría transformación.

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En un recipiente de 15 L se ha colocado un gas a 50 °C que ejerce una presión de 2 atm. Determina cuál será ahora el volumen del recipiente si lo calentamos hasta 100 °C y dejamos que la presión llegue hasta 3 atm. Teniendo en cuenta la ecuación de estado de los gases ideales: P1 ⋅ V1 P ⋅V 2 atm ⋅ 15 L 3 atm ⋅ V2 = 2 2 → = → T1 T2 (273 + 50) K (273 + 100) K → V2 =

14.

2 atm ⋅ 15 L ⋅ (273 + 100) K (273 + 50) K ⋅ 3 atm

= 34,64 L

Una bombona de 3 L contiene CO2 que a temperatura ambiente (20 °C) ejerce una presión de 2 atm. En un descuido la bombona se acerca a un fuego y llega a alcanzar 800 °C. ¿Llegará a explotar? La bombona está hecha de un material que soporta hasta 15 atm. Teniendo en cuenta la ecuación de estado de los gases ideales: P1 ⋅ V1 P ⋅V 2 atm ⋅ 3 L P2 ⋅ 3 L = 2 2 → = → T1 T2 (273 + 20) K (273 + 800) K P2 =

2 atm ⋅ (273 + 800) K (273 + 20) K

= 7, 32 atm

La bombona no explota. 15.

Para hacer una experiencia necesitamos introducir un gas inerte (argón) en una cámara de 1,5 m de largo, 1 m de ancho y 2 m de alto hasta que su presión sea de 1 atm a 20 °C. ¿Será suficiente con el argón que tenemos en una bombona de 50 L si su presión es de 70 atm a 20 °C?

Vcámara = 1,5 m ⋅ 1 m ⋅ 2 m = 3 m3 = 3000 L. Teniendo en cuenta la ecuación de estado de los gases ideales: P1 ⋅ V1 P ⋅V 70 atm ⋅ 50 L P ⋅ 3000 L = 2 2 → = 2 → T1 T2 (273 + 20) K (273 + 20) K → P2 =

70 atm ⋅ 50 L 3000 L

= 1,167 atm

Sí, y sobra argón. 16.

40

En una jeringuilla de 50 mL se ha recogido gas hidrógeno a 1500 mm de Hg y 50 °C. Determina qué posición marcará el émbolo de la jeringuilla si dejamos que la presión en su interior sea de 1 atm y la temperatura se reduzca a la mitad.

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SOLUCIONARIO

Teniendo en cuenta la ecuación de estado de los gases ideales: P1 ⋅ V1 P ⋅V = 2 2 T1 T2 Si la temperatura centígrada se reduce a la mitad: 1500 mm Hg ⋅ 50 mL 760 mm Hg ⋅ V2 = → (273 + 50) K (273 + 25) K → V2 =

1500 mm Hg ⋅ 50 mL ⋅ 298 K 760 mm Hg ⋅ 323 K

= 91mL

Si la temperatura Kelvin se reduce a la mitad: 1500 mm Hg ⋅ 50 mL 760 mm Hg ⋅ V2 = → (273 + 50) K 161,5 K → V2 =

17.

1500 mm Hg ⋅ 50 mL ⋅ 161,5 K 760 mm Hg ⋅ 323 K

= 49,34 mL L

En una ampolla con émbolo se han recogido 300 mL de gas nitrógeno a la presión de 3 atm y 40 °C. ¿Cuál será la presión del gas en el interior si el émbolo se expande hasta 450 mL y se duplica la temperatura? Teniendo en cuenta la ecuación de estado de los gases ideales: P1 ⋅ V1 P ⋅V = 2 2 T1 T2 Si la temperatura centígrada se duplica: 3 atm ⋅ 300 mL P ⋅ 450 mL = 2 → (273 + 40) K (273 + 80) K → P2 =

3 atm ⋅ 300 mL ⋅ 353 K 450 mL ⋅ 313 K

= 2,256 atm

Si la temperatura Kelvin se duplica: 3 atm ⋅ 300 mL P ⋅ 450 mL = 2 → (273 + 40) K 626 K → P2 =

18.

3 atm ⋅ 300 mL ⋅ 626 K 450 mL ⋅ 313 K

= 4 atm

Como resultado de una reacción química se ha generado un gas que ocupa un volumen de 10 L a la presión de 2500 mm de Hg. ¿Cuál será la temperatura de ese gas si cuando se enfría hasta −10 °C ejerce una presión de 2,5 atm y ocupa 7 L?

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2 Los estados de la materia Teniendo en cuenta la ecuación de estado de los gases ideales: P1 ⋅ V1 P ⋅V = 2 2 → T1 T2 →

2500 mm Hg ⋅ 10 L 2,5 ⋅ 760 mm Hg ⋅ 7 L = → T1 (273 − 10) K

→ T1 =

19.

2500 mm Hg ⋅ 10 L ⋅ 263 K = 494,4 K = 221,4 °C 2,5 ⋅ 760 mm Hg ⋅ 7 L

En un recipiente de 5 L tenemos un gas que ejerce una presión de 600 mm de Hg a 35 °C. ¿Es posible que experimente una transformación en la que se duplique la presión y el volumen del gas? ¿Qué sucederá con su temperatura? Teniendo en cuenta la ecuación de estado de los gases ideales: P1 ⋅ V1 P ⋅V P ⋅V 2 P1 ⋅ 2V1 = 2 2 → 1 1 = → T2 = 4T1 T1 T2 T1 T2 La temperatura absoluta del gas se multiplica por cuatro.

20.

En un recipiente de 5 L tenemos un gas que ejerce una presión de 600 mm de Hg a 35 °C. ¿Es posible que experimente una transformación en la que se duplique la temperatura y el volumen del gas? ¿Qué sucederá con su presión? Teniendo en cuenta la ecuación de estado de los gases ideales: P1 ⋅ V1 P ⋅V P ⋅V P ⋅ 2V1 = 2 2 → 1 1 = 2 → P1 = P2 T1 T2 T1 2T1 La presión del gas no varía.

21.

Calcula la presión que ejercerán 3 mol de gas oxígeno que se encuentren en un recipiente de 5 L a 50 °C. Teniendo en cuenta la ecuación de estado de los gases ideales: PV = nRT → P ⋅ 5 L = 3 mol ⋅ 0, 082

→P =

22.

42

3 mol ⋅ 0, 082

atm ⋅ L ⋅ (273 + 50) K → mol ⋅ K

atm ⋅ L ⋅ (273 + 50) K mol ⋅ K = 15, 89 atm 5L

¿Cuántos moles de CO2 tendremos en un recipiente de 10 L si se encuentra a la presión de 3 atm y a 70 °C?

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SOLUCIONARIO

a) ¿Cuántas moléculas de CO2 tendremos? b) ¿Cuántos átomos de O º tendremos? c) ¿Cuántos moles de O tendremos? Teniendo en cuenta la ecuación de estado de los gases ideales:

PV = nRT → 3 atm ⋅ 10 L = n ⋅ 0, 082 →n=

atm ⋅ L ⋅ (273 + 70) K → mol ⋅ K

3 atm ⋅ 10 L atm ⋅ L 0, 082 ⋅ (273 + 70) K mol ⋅ K

a) 1,067 mol de CO2 ⋅

= 1,067 mol de CO2

6, 022 ⋅ 1023 moléculas de CO2 = 1mol de CO2

= 6, 423 ⋅ 1023 moléculas de CO2 b) 6, 423 ⋅ 1023 moléculas de CO2 ⋅

2 átomos de O 1 molécula de CO2

=

= 1,285 ⋅ 1024 átomos de O c) 1,067 mol de CO2 ⋅

23.

2 mol de O 1 mol de CO2

= 2,134 mol de O

En dos recipientes iguales y a la misma temperatura se introducen 10 g de gas hidrógeno y 10 g de gas cloro. Determina en cuál de los dos recipientes la presión es mayor. Teniendo en cuenta la ecuación de estado de los gases ideales: PV = nRT A igual volumen y temperatura, la presión será mayor donde sea mayor el número de moles: 1mol de H2 10 g de H2 ⋅ = 5 mol de H2 → (2 ⋅ 1) g de H2 10 g de Cl2 ⋅

1mol de Cl2

(2 ⋅ 35,5) g de Cl2

= 0,14 mol de Cl2

La presión es mayor en el recipiente de hidrógeno. 24.

En un recipiente tenemos 5 g de gas hidrógeno y 5 g de gas nitrógeno, la mezcla ejerce una presión de 800 mm de Hg. Calcula: a) La presión parcial que ejerce cada componente de la mezcla. b) La composición de la mezcla expresada como porcentaje en masa y como porcentaje en volumen.

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2 Los estados de la materia a) De acuerdo con la ley de Dalton de las presiones parciales, para cada componente: P1 = PT ⋅ X1 Para calcular las fracciones molares debemos conocer el número de moles de cada componente. Lo calculamos dividiendo la masa en gramos de cada uno entre su masa molar: M (H2) = 2 ⋅ 1 = 2 g/mol; M (N2) = 2 ⋅ 14 = 28 g/mol

PH2

PN2

5 nH2 2 = PT ⋅ X H2 = PT ⋅ = 800 mm Hg ⋅ = nH2 + nN2 5 5 + 2 28 = 746,7 mm Hg 5 nN2 28 = PT ⋅ X N2 = PT ⋅ = 800 mm Hg ⋅ = nHe + nN2 5 5 + 2 28 = 53,33 mm Hg

b) Composición de la mezcla como porcentaje en masa: 50 % de cada uno ya que tenemos la misma masa. Composición de la mezcla como porcentaje en volumen: coincide con el porcentaje en número de partículas: 5 nH2 2 ⋅ 100 = ⋅ 100 = 93,33% de H2 nH2 + nN2 5 5 + 2 28 5 nN2 28 ⋅ 100 = ⋅ 100 = 6,67% de N2 nHe + nN2 5 5 + 2 28 25.

En tres recipientes distintos de 1 L de capacidad tenemos H2, CO2 y N2 cada uno a la presión de 1 atm y todos a la misma temperatura. Metemos los tres gases en un recipiente de 1 L a la misma temperatura, ¿cuánto valdrá la presión ahora? De acuerdo con la ley de Dalton: 1 + 1 + 1 = 3 atm.

26.

44

En un recipiente de 1 L introducimos gas H2 a la presión de 1 atm y en otro recipiente de 3 L introducimos CO2 también a la presión de 1 atm; ambos recipientes a la misma temperatura. Metemos los dos gases en un recipiente de 3 L, también a la misma temperatura. ¿Cuánto valdrá la presión ahora?

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SOLUCIONARIO

En la mezcla, el dióxido de carbono sigue ejerciendo una presión de 1 atm. Calculamos la presión que ejerce el hidrógeno en las nuevas condiciones: P1 ⋅ V1 P ⋅V 1 atm ⋅ 1L P ⋅ 3L = 2 2 → = 2 → T1 T2 T T → P2 =

1 atm ⋅ 1 L 3L

= 0,33 atm

De acuerdo con la Ley de Dalton, la presión de la mezcla de gases: PT = PH2 + PCO2 = 1 atm + 0,33 atm = 1,33 atm 27.

En una ampolla se introducen 20 g de gas H2 y 50 g de N2. Si el manómetro indica que la presión en la ampolla es de 1200 mm de Hg, ¿cuál es la presión que ejerce cada gas? De acuerdo con la ley de Dalton de las presiones parciales: PH2 = PT ⋅ X H2

nH2 = PT ⋅ = 1200 mm Hg ⋅ nH2 + nN2

= 1018 mm Hg PN2 = PT ⋅ X N2

nN2 = PT ⋅ = 1200 mm Hg ⋅ nHe + nN2

= 182 mm Hg 28.

20 2⋅1 50 20 + 2⋅1 2 ⋅ 14 20 2 ⋅ 14 50 20 + 2⋅1 2 ⋅ 14

=

=

De acuerdo con la teoría cinética, ¿cómo se comportan las partículas que forman la materia cuando esta se encuentra en estado sólido, líquido o gas? De acuerdo con la teoría cinética, la materia está formada por partículas. • En estado sólido estas partículas están unidas por fuerzas bastante fuertes, que las obligan a permanecer en posiciones relativamente fijas; solo tienen un pequeño movimiento de vibración en torno a una posición de equilibrio que es mayor cuanto mayor sea la temperatura del cuerpo. • En estado gaseoso las fuerzas entre las partículas son casi inexistentes; de ahí que se muevan con total libertad, por todo el recipiente en que se encuentran. • En estado líquido las fuerzas que mantienen unidas las partículas son intermedias, lo que permiten que tengan una cierta movilidad y se puedan deslizar unas sobre otras.

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Utiliza la teoría cinética para explicar por qué cuando calentamos un cuerpo, a veces cambia su temperatura, y otras veces, no. El calor que comunicamos a un cuerpo hace que aumente el movimiento de las partículas que lo forman. Si el cuerpo se encuentra a la temperatura de un cambio de estado, el calor se invierte en modificar el tipo de interacción entre las partículas y se producirá el cambio de estado; mientras se produce el cambio de estado, no hay variación de la temperatura. Si el cuerpo se encuentra a una temperatura alejada de la del cambio de estado, el calor hace que aumente el movimiento de las partículas y, en consecuencia, la temperatura del cuerpo.

30.

Las siguientes frases contienen un error o no son totalmente ciertas. Completa cada una de ellas para que sean correctas: a) El agua tiene un punto de ebullición de 100 °C. b) Todas las sustancias tienen un punto de fusión característico. c) Cuanto más alto sea el punto de fusión de una sustancia, más alto es su punto de ebullición. a) A la presión de 1 atmósfera, el agua tiene un punto de ebullición de 100 °C. b) Todas las sustancias puras tienen un punto de ebullición característico. c) No siempre se cumple que cuanto más alto sea el punto de fusión de una sustancia, más alto va a ser su punto de ebullición. Véanse ejemplos en la tabla de la página 31, por ejemplo, el alcohol etílico y el metílico.

31.

Razona si son ciertas o no las siguientes afirmaciones: a) A 25 °C las fuerzas entre las moléculas de oxígeno son menores que entre las moléculas de agua. b) A 25 °C las fuerzas entre las moléculas de oxígeno son menores que las que existen a 75 °C. c) A 25 °C las fuerzas entre las moléculas de agua son menores que las que existen a 75 °C. d) A 25 °C las moléculas de agua vibran menos que a −25 °C. e) A 3 °C las moléculas de agua están más próximas que a −3 °C. f) A 25 °C las moléculas de oxígeno se mueven a más velocidad que a 80 °C. a) Cierto. A 25 °C el oxígeno es un gas y el agua, líquido. b) Falso. A ambas temperaturas el oxígeno es un gas ideal y entre sus moléculas no existen fuerzas de interacción.

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SOLUCIONARIO

c) Cierto; por eso el agua se evapora más a 75 °C que a 25 °C. d) Falso. La vibración de las moléculas de agua es mayor cuanto mayor sea su temperatura. e) Cierto. El agua es una sustancia anómala y a 3 °C tiene una densidad mayor que a −3 °C; ello es debido a que las moléculas de agua están más próximas a 3 °C que a −3 °C. f) Falso. Cuanto mayor es la temperatura de un gas, mayor es la energía cinética de sus moléculas y mayor la velocidad a la que se mueven. 32.

Las bombonas de butano que utilizamos en las cocinas tienen este combustible en estado líquido. Observa la tabla de la página 31 y explica cómo es posible que el butano se mantenga líquido a la temperatura de nuestra casa. Porque se mantiene a presión elevada y en esas condiciones el punto de ebullición aumenta.

33.

Explica por qué el punto de ebullición de las sustancias baja si disminuye la presión exterior. Las sustancias entran en ebullición cuando su presión de vapor coincide con la presión exterior. Si disminuye la presión anterior, disminuye la temperatura a la que se produce esta coincidencia.

34.

Razona si es posible aumentar el volumen de un gas sin calentarlo. De acuerdo con la ecuación de estado de los gases ideales, esto es posible si disminuye la presión del gas en la misma proporción. PV = nRT

35.

¿En cuánto tiene que cambiar el volumen de un recipiente que contiene un gas si queremos que su presión se cuadruplique sin que varíe su temperatura? El volumen se debe reducir a la cuarta parte. En efecto: P1 ⋅ V1 P ⋅V P ⋅V 4P1 ⋅ V2 V = 2 2 → 1 1 = → 1 = V2 T1 T2 T1 T1 4

36.

Tenemos un gas dentro de un cilindro de émbolo móvil. ¿Hay algún modo de reducir el volumen sin variar la presión ni empujar el émbolo? Para que se reduzca el volumen sin que se altere la presión hay que disminuir la temperatura del gas: P1 ⋅ V1 P ⋅V P ⋅V P ⋅V V V = 2 2 → 1 1 = 1 2 → 1 = 2 T1 T2 T1 T2 T1 T2

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Justifica si son ciertas las siguientes afirmaciones: a) Cuando un gas que ocupa 300 cm3 se comprime hasta ocupar 100 cm3 sin que varíe su temperatura, triplica la presión que ejerce. b) Cuando un gas que se encuentra a 10 °C se calienta hasta que esté a 20 °C sin que varíe su presión, su volumen se duplica. c) Cuando un gas que ocupa 300 cm3 se comprime hasta ocupar 100 cm3 sin que varíe su presión, triplica la temperatura a la que se encuentra. a) Cierto: P1 ⋅ V1 P ⋅V P ⋅ 300 cm3 P ⋅ 100 cm3 = 2 2 → 1 = 2 T1 T2 T1 T1 b) Falso. Esto sería si se duplicase la temperatura absoluta. c) Falso: P1 ⋅ V1 P ⋅V P ⋅ 300 cm3 P ⋅ 100 cm3 = 2 2 → 1 = 1 T1 T2 T1 T2 La temperatura absoluta se debe reducir a la tercera parte.

38.

Las tres gráficas siguientes pueden representar la relación que hay entre la presión y la temperatura de un gas cuando experimenta transformaciones a volumen constante. Indica qué magnitud se debe representar en cada eje. a)

b)

c)

Para un gas ideal que sufre transformaciones a volumen constante, la presión es directamente proporcional a su temperatura absoluta: P1 P = 2 = cte. T1 T2 • En la gráfica a) se representa en un eje P; y en otro, T (temperatura absoluta). • La gráfica b) representa dos magnitudes inversamente proporcionales. En un eje se debe representar P, y en el otro, 1/T (o viceversa). • La gráfica c) representa dos magnitudes directamente proporcionales con ordenada en el origen. En el eje de ordenadas se debe representar P, y en el de abscisas, la temperatura centígrada. P tiende a 0 cuando T = −273 °C.

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SOLUCIONARIO

39.

La mayoría de los termómetros que utilizamos en el laboratorio miden la temperatura en °C y permiten medir temperaturas positivas y negativas. Cuando se quema madera se alcanzan temperaturas próximas a los 350-400 °C. ¿Se te ocurre algún proceso que transcurra a temperaturas similares a esas pero negativas? No. De acuerdo con la teoría cinética, la temperatura más baja posible es −273,15 °C.

40.

Explica por qué la escala Kelvin de temperaturas comienza en −273,15 °C. Porque a esa temperatura el movimiento de las partículas es nulo y ya no se puede reducir. (En rigor no es completamente nulo por los requisitos de la mecánica cuántica.)

41.

Utilizando la teoría cinética de los gases justifica que si un gas experimenta una transformación a temperatura constante, al reducir a la mitad el volumen del recipiente, la presión se duplica. De acuerdo con la teoría cinética, la energía velocidad de las partículas es directamente proporcional a su temperatura absoluta. Si el gas experimenta una transformación a temperatura constante, la velocidad de sus partículas no cambia. Si se reduce el volumen a la mitad, las partículas, que se mueven a la misma velocidad que antes, llegarán el doble de veces a las paredes del recipiente y duplicarán los choques que producen contra ellas; en consecuencia, se duplica la presión que ejerce el gas.

42.

Utiliza la teoría cinética de los gases para explicar que si un gas experimenta transformaciones a presión constante, al duplicar su temperatura absoluta su volumen se duplica. Si la presión del gas permanece constante, debe permanecer constante el número de choques de las partículas contra las paredes del recipiente. La velocidad de las partículas del gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta, de forma que, si la temperatura se duplica, se duplica su velocidad. Si queremos que se mantenga el número de choques contra las paredes del recipiente, debe duplicarse el volumen del recipiente que aloja el gas.

43.

En un recipiente de volumen variable tenemos un gas que ejerce una presión de 600 mm de Hg cuando el volumen es de 1,2 L. ¿Cuál será el volumen si la presión alcanza los 1000 mm de Hg sin que varíe su temperatura?

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2 Los estados de la materia De acuerdo con la ecuación de los gases ideales: P1 ⋅ V1 P ⋅V 600 mm Hg ⋅ 1,2 L 1000 mm Hg ⋅ V2 = 2 2 → = → T1 T2 T T 600 mm Hg ⋅ 1,2 L

→ V2 =

44.

1000 mm Hg

En una ampolla de 750 mL tenemos un gas que ejerce una presión de 1,25 atm a 50 °C. Lo conectamos a una segunda ampolla vacía de 2 L. ¿Qué presión leeremos ahora en el manómetro si no varía la temperatura?

= 0,72 L

750 mL 2L

Tenemos: P1 ⋅ V1 P ⋅V 1,25 atm ⋅ 0,75 L P ⋅ (2 + 0,75) L = 2 2 → = 2 T1 T2 T T → P2 =

45.

1,25 atm ⋅ 0,75 L

= 0,34 atm

2,75 L

Un gas ejerce una presión de 800 mm de Hg a 50 °C. ¿Cuál debe ser su temperatura si queremos que ejerza una presión de 1,5 atm sin que varíe el volumen del recipiente en que se encuentra? Tenemos: 800 atm ⋅ V P1 ⋅ V1 P2 ⋅ V2 1,5 atm ⋅ V 760 → = → = T1 T2 T (273 + 50) K →T =

46.

1,5 atm ⋅ (273 + 50) K 800 atm 760

= 460 K = 187 ºC

Tenemos un gas encerrado en un recipiente de 5 L. ¿En cuánto cambia su temperatura si su presión pasa de 300 mm de Hg a 600 mm de Hg? Tenemos: P1 ⋅ V1 P ⋅V = 2 2 → T1 T2 →

50

300 mm Hg ⋅ 5 L T1

=

600 mm Hg ⋅ 5 L T2

→ T2 = 2T1

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SOLUCIONARIO

47.

Una pieza de una máquina está formada por un pistón que tiene un gas en su interior. En un momento dado, el volumen del pistón es 225 mL y la temperatura del gas es de 50 °C. ¿Cuánto ha debido cambiar la temperatura para que el volumen sea de 275 mL si la presión no varía? De nuevo: P1 ⋅ V1 P ⋅V P ⋅ 225 mL P ⋅ 275 mL = 2 2 → = → T1 T2 T2 (273 + 50) K → T2 =

48.

275 mL ⋅ (273 + 50) K 225 mL

Un gas ideal se encuentra en las condiciones correspondientes al punto A a una temperatura de 27 °C. Determina cuál será su temperatura en los puntos B y C.

= 395 K = 122 ºC

P (atm)

A

2

C

1

B 0,5

1,5 V (L)

Paso de A → B: P1 ⋅ V1 P ⋅V 2 atm ⋅ 0,5 L 1 atm ⋅ 0,5 L = 2 2 → = → T1 T2 (273 + 27) K TB → TB =

1 atm ⋅ (273 + 27) K 2 atm

= 150 K = −123 ºC

Paso de B → C: 1 atm ⋅ 0,5 L 1 atm ⋅ 1,5 L = → 150 K TC → TC =

49.

1,5 L ⋅ 150 K 0,5 L

= 450 K = 177 ºC

En un recipiente de 500 mL tenemos un gas que ejerce una presión de 1500 mm de Hg cuando se encuentra a 80 °C. Calcula qué volumen ocupará el gas si lo enfriamos hasta 40 °C y hacemos que la presión sea de 0,9 atm. P1 ⋅ V1 P ⋅V = 2 2 → T1 T2

1500 atm ⋅ 500 mL 0, 9 atm ⋅ V 760 → = (273 + 40) K (273 + 80) K

1500 atm ⋅ 500 mL ⋅ (273 + 40) K 760 →V = = 972 mL (273 + 80) K ⋅ 0,9 atm

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En un recipiente de 2 L se ha colocado un gas a 50 °C que ejerce una presión de 4 atm. Determina qué presión ejercerá el gas si lo calentamos hasta 100 °C y hacemos que el volumen del recipiente se reduzca hasta 500 mL. Tenemos: P1 ⋅ V1 P ⋅V 4 atm ⋅ 2 L P ⋅ 0,5 L = 2 2 → = → T1 T2 (273 + 50) K (273 + 100) K →P =

51.

4 atm ⋅ 2 L ⋅ (273 + 100) K (273 + 50) K ⋅ 0,5 L

= 18,48 atm

Un gas que ocupa un volumen de 20 L y ejerce una presión de 850 mm de Hg, se encuentra a 27 °C. ¿A qué temperatura se encontrará si el volumen del recipiente se reduce a 8 L y pasa a ejercer una presión de 2,5 atm? Ahora: 850 atm ⋅ 20 L P1 ⋅ V1 P2 ⋅ V2 2,5 atm ⋅ 8 L 760 = → = → T1 T2 (273 + 27) K T →T =

52.

2,5 atm ⋅ 8 L ⋅ (273 + 27) K 850 atm ⋅ 20 L 760

= 268 K = −4,7 ºC

Utiliza la ecuación de estado de los gases ideales para calcular el volumen que ocupa 1 mol de gas hidrógeno que se encuentre en condiciones normales. a) ¿Y si fuese gas oxígeno?

b) ¿Y si fuese gas dióxido de carbono?

Usamos la ecuación de estado de los gases ideales:

PV = nRT → 1 atm ⋅ V = 1 mol ⋅ 0, 082

atm ⋅ L

⋅ 273 K → mol ⋅ K → V = 22,4 L, cualquiera que sea el gas

53.

¿Cuál será la temperatura de un recipiente de 8 L que contiene 2,5 mol de gas nitrógeno a una presión de 650 mm de Hg? A partir de la ecuación de los gases ideales:

PV = nRT →

→T =

52

650 atm ⋅ L atm ⋅ 8 L = 2,5 mol ⋅ 0, 082 ⋅T → 760 mol ⋅ K 650 atm ⋅ 8 L 760

atm ⋅ L 2,5 mol ⋅ 0, 082 mol ⋅ K

= 33, 4 K = −239,6 ºC

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SOLUCIONARIO

54.

¿Qué masa de gas metano (CH4) tendremos en un recipiente de 8 L si se encuentra a la presión de 1140 mm de Hg y a 117 °C? a) ¿Cuántas moléculas de gas metano tendremos? b) ¿Cuántos átomos de hidrógeno tendremos? c) ¿Cuántos moles de carbono tendremos? A partir de la ecuación de los gases ideales:

PV = nRT → 1140 atm ⋅ L atm ⋅ 8 L = n ⋅ 0, 082 ⋅ (273 + 117) K → 760 mol ⋅ K

→

1140 atm ⋅ 8 L 760

→n= 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K

= 0,375 mol

⋅ (273 + 117) K

M (CH4) = 12 + 4 ⋅ 1 = 16 g/mol → → 0,375 mol de CH4 ⋅

16 g de CH4 1 mol de CH4

= 6 g de CH4

a) Ahora: 0,375 mol de CH4 ⋅

6, 022 ⋅ 1023 moléculas de CH4 1 mol de CH4

=

= 2,258 ⋅ 1023 moléculas de CH4 b) Tenemos: 2,258 ⋅ 1023 moléculas de CH4 ⋅

4 átomos de H 1 molécula de CH4

=

= 9, 03 ⋅ 1023 átomos de H c) A partir de la estequiometría de la reacción: 0,375 mol de CH4 ⋅

55.

1mol de C 1 mol de CH4

= 0,375 mol de C

La bombona de butano (C4H10) tiene una capacidad de 26 L. Cuando está llena pesa 12,5 kg más que cuando está vacía. ¿Qué presión ejercería el butano que hay en su interior si estuviese en fase gaseosa? Consideramos que la temperatura es de 20 °C.

M (C4H10) = 4 ⋅ 12 + 10 ⋅ 1 = 58 g/mol.

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2 Los estados de la materia PV = nRT → P ⋅ 26 L =

→P =

56.

0, 082

12,5 ⋅ 10 3 g 58

12,5 ⋅ 10 3 g atm ⋅ L ⋅ 0, 082 ⋅ (273 + 20) K → g mol ⋅ K 58 mol

⋅

g

atm ⋅ L ⋅ (273 + 20) K mol ⋅ K = 199,2 atm 26 L

mol

Decimos que una bombona de butano se ha terminado cuando ya no sale gas de su interior; eso sucede cuando la presión en su interior es igual a la presión atmosférica. ¿Qué masa de butano queda en el interior de una bombona vacía si la temperatura de la cocina es 20 °C? Dato: capacidad de la bombona = 26 L, presión atmosférica = 1 atm.

PV = nRT → 1 atm ⋅ 26 L = n ⋅ 0, 082

atm ⋅ L ⋅ (273 + 20) K → mol ⋅ K

1 atm ⋅ 26 L

→n=

atm ⋅ L 0, 082 ⋅ (273 + 20) K mol ⋅ K

= 1,082 mol

M (C4H10) = 4 ⋅ 12 + 10 ⋅ 1 = 58 g/mol → 58 g de C4H10 → 1,082 mol de C4H10 ⋅ = 62,8 g de C4H10 1 mol de C4H10 57.

En un globo hemos introducido 5 g de gas helio (He). ¿Cuál será el volumen del globo si la presión en el interior es de 1,5 atm y la temperatura es de 20 °C?

M (He) = 4 g/mol. PV = nRT → 1,5 atm ⋅ V =

5 g

→V = 4

58.

g

0, 082 ⋅

5g atm ⋅ L ⋅ 0, 082 ⋅ (273 + 20) K → g mol ⋅ K 4 mol atm ⋅ L ⋅ (273 + 20) K mol ⋅ K 1,5 atm

mol

Tenemos 500 mL de dióxido de carbono en condiciones normales. a) ¿Qué volumen ocupará a 80 °C y 375 mm de Hg? b) ¿Cuántas moléculas habrá en el recipiente?

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= 20,02 L

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SOLUCIONARIO

a) En este caso: 375 atm ⋅ V P1 ⋅ V1 P2 ⋅ V2 1 atm ⋅ 500 mL 760 = → = → T1 T2 273 K (2 273 + 80) K →V =

1 atm ⋅ 500 mL ⋅ (273 + 80) K 273 K ⋅

= 1310 mL = 1,31L

375 atm 760

b) Sustituyendo los valore conocidos:

PV = nRT → 1 atm ⋅ 0,5 L = n ⋅ 0, 082 →n=

1 atm ⋅ 0,5 L 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K

atm ⋅ L ⋅ 273 K → mol ⋅ K

= 0,0223 mol →

⋅ 273 K

6, 022 ⋅ 1023 moléculas de CO2 = 1mol de CO2 = 1, 345 ⋅ 1022 moléculas de CO2

→ 0,0223 mol de CO2 ⋅

59.

Calcula la masa de 10 L de gas hidrógeno en condiciones normales. ¿Y si el gas fuese oxígeno? En condiciones normales (c.n.) 1 mol de un gas ideal ocupa 22,4 L: 1mol de H2 10 L de H2 ⋅ = 0,45 mol de H2 22,4 L de H2

M (H2) = 2 ⋅ 1 = 2 g/mol → 2 g de H2 → 0,45 mol de H2 ⋅ = 0,9 g de H2 1 mol de H2 Si el gas fuese O2, también tendríamos 0,45 mol. M (O2) = 2 ⋅ 16 = 32 g/mol → 32 g de O2 → 0,45 mol de O2 ⋅ = 14,4 g de O2 1 mol de O2 60.

En dos recipientes iguales y a la misma temperatura se introducen 5 g de gas helio y 5 g de gas dióxido de carbono. Determina en cuál de los dos recipientes será mayor la presión.

PV = nRT De acuerdo con la ecuación de los gases ideales, si V y T son iguales, ejercerá mayor presión el gas que tenga mayor número de moles. 1mol de He = 1,25 mol de He M (He) = 4 g/mol → 5 g de He ⋅ 4 g de He

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2 Los estados de la materia M (CO2) = 12 + 2 ⋅ 16 = 44 g/mol → 1mol de CO2 → 5 g de CO2 ⋅ = 0,114 mol de CO2 44 g de CO2 La presión será mayor en el recipiente de helio. 61.

El acetileno es un gas que se utiliza como combustible en los sopletes de soldadura. En su composición interviene un 92,3 % de carbono y un 7,7 % de hidrógeno. Determina la fórmula del acetileno (C2H2) si cuando se introducen 4,15 g del mismo en una ampolla de 1,5 L a 70 °C ejercen una presión de 3 atmósferas. La composición centesimal nos permitirá conocer la fórmula empírica. Los datos que se refieren al estado del gas nos permite conocer su masa molar y, con ello, su fórmula molecular. Fórmula del tipo CxHy. 92,3 g de C 12 g de C 1mol de C

= 7,692 mol de C →

7,7 g de H 1 g de H 1mol de H

= 7,7 mol de H

Fórmula empírica: CH. Cálculo de la masa molar:

PV = nRT → 3 atm ⋅ 1,5 L = n ⋅ 0, 082

atm ⋅ L ⋅ (273 + 70) K → mol ⋅ K

3 atm ⋅ 1,5 L

→n= 0, 082

atm ⋅ L ⋅ (273 + 70) K mol ⋅ K

= 0,16 mol

4,15 g g = 25,9 → Masa molar del acetileno 0,16 mol mol

M (CH) = 12 + 1 = 13 g/mol. 25, 9 ≈2 13 Fórmula molecular del acetileno: C2H2. 62.

La densidad de un gas en condiciones normales es 1,25 g/L. Determina si es gas es monóxido de carbono, monóxido de azufre o amoniaco. En la página 41 se deduce la fórmula que permite conocer la densidad de un gas:

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SOLUCIONARIO

P ⋅M → R ⋅T

d =

d ⋅ R ⋅T →M = = P

1,25

g L

⋅ 0, 082

atm ⋅ L

mol ⋅ K 1 atm

⋅ 273 K = 27 7,98

g mol

M (CO) = 12 + 16 = 28 g/mol; M (SO) = 32 + 16 = 48 g/mol; M (NH3) = 14 + 3 ⋅ 1 = 17 g/mol. El gas del problema es el CO. 63.

La densidad de un gas en condiciones normales es 1,42 g/L. Calcula cuánto pesarán 750 mL de ese gas a 1,8 atmósferas y 17 °C. La densidad del gas en condiciones normales nos permite conocer su masa molar. Con ella podremos conocer la densidad del gas en las nuevas condiciones y determinar la masa correspondiente a 750 mL.

M =

d ⋅ R ⋅T = P

d =

P ⋅M = R ⋅T

d =

64.

1, 42

g atm ⋅ L ⋅ 273 K ⋅ 0, 082 L mol ⋅ K 1 atm 1, 8 atm ⋅ 31,79

g mol

⋅L 0, 082 atm ⋅ (273 + 17) K mol ⋅ K

= 31,79

= 2,4

g mol

g L

g m → m = d ⋅ V = 2,4 ⋅ 0,75 L = 1,8 g V L

Calcula la densidad del monóxido de dinitrógeno en condiciones normales. En una ampolla tenemos monóxido de dinitrógeno a una presión de 1 000 mm de Hg. ¿A qué temperatura su densidad será de 2,15 g/L?

M (N2O) = 2 ⋅ 14 + 16 = 44 g/mol. d =

T =

P ⋅M = R ⋅T

P ⋅M = R ⋅d

1 atm ⋅ 44 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K

1 atm ⋅ 44 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K

g mol ⋅ 273 K

= 1,9 97

g L

g mol ⋅ 2,15

g

= 249,6 K = −23,43 ºC

L

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En una bombona se introducen 5 g de helio, 5 g de dióxido de carbono y 5 g de oxígeno. Si el manómetro indica que la presión en la bombona es de 700 mm de Hg, ¿qué presión ejerce cada gas? De acuerdo con la ley de Dalton de las presiones parciales, para cada componente: P1 = PT ⋅ X1 Para calcular las fracciones molares debemos conocer el número de moles de cada componente. Lo calculamos dividiendo la masa en gramos de cada uno entre su masa molar:

M (He) = 4 g/mol; M (CO2) = 12 +2 ⋅ 16 = 44 g/mol; M (O2) = 2 ⋅ 16 = 32 g/mol. Por tanto: • PHe = PT ⋅ X He = PT ⋅

= 700 mm Hg ⋅

n He = n He + nCO2 + nO2 5 4 5 5 5 + + 4 44 32

• PCO2 = PT ⋅ X CO2 = PT ⋅

= 575,7 mm Hg

nCO2 = nHe + nCO2 + nO2

5 44 = 52,34 mm Hg = 700 mm Hg ⋅ 5 5 5 + + 4 44 32 • PO2 = PT ⋅ X O2 = PT ⋅

= 700 mm Hg ⋅

66.

n O2 = n He + nCO2 + nO2 5 32 5 5 5 + + 4 44 32

= 71,96 mm Hg

Para la mezcla de gases del ejercicio anterior determina su composición como porcentaje en masa y como porcentaje en volumen. Composición de la mezcla como porcentaje en masa: mHe

m He 5 ⋅ 100 = ⋅ 100 = 33, 33% de He → + mCO2 + mO2 5+5+5 → 33,33 % de CO2 y 33,33 % de O2

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SOLUCIONARIO

Composición de la mezcla como porcentaje en volumen: coincide con el porcentaje en número de partículas:

nHe

nHe

nHe

67.

5 nHe 4 ⋅ 100 = ⋅ 100 = 82,24% de He + nCO2 + nO2 5 5 5 + + 4 44 32 5 nCO2 44 ⋅ 100 = ⋅ 100 = 7, 48 % de CO2 + nCO2 + nO2 5 5 5 + + 4 44 32 5 n O2 32 ⋅ 100 = ⋅ 100 = 10,28 % de O2 + nCO2 + nO2 5 5 5 + + 4 44 32

En un recipiente tenemos 3,2 g de oxígeno que ejercen una presión de 500 mm de Hg. Sin que varíe la temperatura, añadimos al mismo recipiente 4,2 g de gas hidrógeno. ¿Cuánto será la presión ahora? La presión del oxígeno en esta mezcla sigue siendo 500 mm Hg. De acuerdo con la ley de Dalton de las presiones parciales:

P1 = PT ⋅ X1 → PO2 = PT ⋅ X O2 = PT ⋅

n O2 nH2 + nO2

M (H2) = 2 ⋅ 1 = g/mol; M (O2) = 2 ⋅ 16 = 32 g/mol. Por tanto: 4,2 3,2 + nH2 + nO2 2 32 PT = PO2 ⋅ = 500 mm Hg ⋅ = n O2 3,2 32 = 1,1 ⋅ 10 4 mm Hg = 14,47 atm 68.

La composición en volumen del aire seco es 78 % de nitrógeno, 21 % de oxígeno y el resto, otros gases. Las dimensiones de nuestra clase son 7 m de largo, 6 m de ancho y 3 m de alto. Si la presión es de 790 mm de Hg y la temperatura 20 °C, ¿qué masa de oxígeno tenemos en la clase? La composición en volumen de una mezcla de gases coincide con la composición en número de partículas. Conociendo esta composición y la presión total, la ley de Dalton de las presiones parciales nos permitirá conocer la presión que ejerce el oxígeno.

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2 Los estados de la materia El dato de la temperatura y el volumen de la habitación nos permitirán conocer la masa del oxígeno: PO2 = PT ⋅ X O2 = 790 mm Hg ⋅

21 = 165,9 mm Hg 100

V (habitación) = 7 m ⋅ 6 m ⋅ 3 m = 126 m3 = 126 ⋅ 103 L. PV = nRT → →

165, 9 atm ⋅ L atm ⋅ 126 ⋅ 10 3 L = n ⋅ 0, 082 ⋅ (273 + 20) K → 760 mol ⋅ K

165, 9 atm ⋅ 126 ⋅ 10 3 L 760 →n= = 1,145 ⋅ 10 3 mol → atm ⋅ L 0, 082 ⋅ (273 + 20) K mol ⋅ K → 1,145 ⋅ 10 3 mol de O2 ⋅

69.

32 g de O2 1 mol de O2

= 36,63 ⋅ 10 3 g = 36,63 kg de O2

La composición del aire en masa es 79 % de nitrógeno y 21 % de oxígeno. Un cierto día la presión atmosférica es de 720 mm de Hg. ¿Qué presión ejerce el nitrógeno ese día? La composición en volumen de una mezcla de gases coincide con la composición en número de partículas. Conociendo esta composición y la presión total, la ley de Dalton de las presiones parciales nos permitirá conocer la presión que ejerce el nitrógeno. PN2 = PT ⋅ X N2 = 720 mm Hg ⋅

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79 = 568,8 mm Hg 100

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Disoluciones

PRESENTACIÓN • Un elemento muy importante de esta unidad es que los alumnos aprendan a hacer cálculos relacionados con las disoluciones, tanto desde el punto de vista de su uso en el laboratorio (unidades químicas para expresar la concentración) como para su empleo en artículos cotidianos como cremas, jarabes, etc. (unidades físicas para expresar la concentración). • El segundo aspecto de la Unidad se refiere al conocimiento y manejo de las propiedades de las disoluciones para adaptar su uso a distintas necesidades científicas y de la vida cotidiana (aspectos relacionados con la solubilidad y las propiedades coligativas).

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3 Disoluciones OBJETIVOS • Comprender el concepto «concentración de la disolución» como una magnitud extensiva. • Manejar con soltura las distintas formas de expresar la concentración de una disolución. • Reconocer las situaciones en las que es adecuado expresar la concentración en unidades físicas y en cuales en unidades químicas. • Ser capaz de preparar en el laboratorio una disolución de una concentración determinada, partiendo de un producto comercial habitual. • Manejar con soltura el material de laboratorio que se requiere para preparar disoluciones. • Saber leer e interpretar gráficas de solubilidad de distintas sustancias. • Conocer los factores que influyen en la solubilidad de una sustancia y ser capaz de emplearlos a conveniencia. • Distinguir entre disolución concentrada, diluida y saturada. • Conocer y manejar las fórmulas que permiten evaluar las propiedades coligativas de una disolución. • Relacionar las propiedades coligativas de una disolución con la utilidad práctica de la misma.


• Características de una disolución y de las sustancias que la integran. • Modos de expresar la concentración de una disolución (Unidades físicas y químicas). • Solubilidad de una sustancia. • Factores que influyen en la solubilidad (aplicarlo a disoluciones acuosas con solutos sólidos y gases). • Propiedades coligativas: – Descenso de la presión de vapor. – Ascenso del punto de ebullición. – Descenso del punto de congelación. – Ósmosis.

Procedimientos, • Destreza en la utilización del material de laboratorio adecuado para preparar disoluciones. destrezas • Soltura en los cálculos que se requieren para preparar y habilidades una disolución a partir de un producto comercial. • Realización de ejercicios numéricos en los que intervienen sustancias en disolución. • Interpretación de gráficas. • Imaginar la utilidad de una disolución en relación con sus propiedades.

Actitudes

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• Apreciar el orden, la limpieza y el trabajo riguroso en el laboratorio. • Aprender a manejar material delicado y preciso como el que se requiere para preparar disoluciones.

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EDUCACIÓN EN VALORES En esta unidad se estudian cuestiones que tienen consecuencias directas en la vida de los alumnos y alumnas como personas individuales y también como miembros de una colectividad. Podemos señalar las siguientes: 1. Educación para la salud. Muchas de las sustancias que consumimos o utilizamos cuando realizamos diversas actividades son disoluciones. Manejar el concepto concentración ayudará a los alumnos a valorar la cantidad real de sustancia nociva o beneficiosa que están introduciendo en su organismo y les permitirá tomar decisiones en consecuencia. Son muy importantes los ejercicios relacionados con la tasa de alcohol de distintas bebidas o los que se refieren a la concentración de oligoelementos en diversos alimentos. 2. Educación medioambiental. En esta Unidad se estudian los factores que influyen en la solubilidad de las sustancias y, de forma especial, en los gases. A través de este estudio se pretende que el alumnado se conciencie con los problemas medioambientales derivados de vertidos que, aparentemente, se consideran nocivos, como los de agua caliente. 3. Educación para el consumidor. Manejar con soltura el concepto concentración permitirá a los alumnos leer de manera efectiva las etiquetas de algunos productos y elegir el que les resulta más adecuado por su riqueza en un determinado componente. Además, conocer las propiedades coligativas les ayudará a utilizar algunas disoluciones en beneficio propio, como el empleo de suero fisiológico en lugar de agua para limpiar los ojos y mucosas, las disoluciones salinas para obtener baños a muy baja temperatura, la fabricación de anticongelantes, etc.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN 1. Aplicar correctamente las fórmulas para calcular la concentración de una disolución en sus distintas unidades. 2. Distinguir entre densidad de una disolución y concentración del soluto expresado en unidades de masa/volumen. 3. Expresar la concentración de una misma disolución en distintas unidades. Transformar las unidades de concentración. 4. Preparar una determinada cantidad de disolución de concentración establecida a partir de un producto comercial. 5. Emplear las gráficas de solubilidad para determinar la solubilidad de una sustancia en distintas concentraciones. 6. Cálculo de las propiedades coligativas de una disolución. 7. Determinar las características de una disolución para que una de sus propiedades coligativas alcance un valor. 8. Interpretar cualitativamente el comportamiento de una disolución en relación con el del disolvente al respecto de una propiedad coligativa.

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3 Disoluciones 1.

Busca información que te permita identificar los solutos y el disolvente en cada una de las disoluciones siguientes: a) Agua del grifo. b) Suero fisiológico. c) Contenido del soplete oxhídrico. Agua grifo Sales minerales

Soluto

Oxígeno Disoluto

2.

Agua

d) Bronce. e) Gas natural. f) Aire.

Suero fisiológico

Soplete oxhídrico

Bronce

Gas natural

Aire

Cloruro de sodio

Oxígeno

Estaño

Nitrógeno, etano, H2S, etc.

Oxígeno, CO2, Ar, etc.

Agua

Hidrógeno

Cobre

Metano

Nitrógeno

Los especialistas en nutrición recomiendan que tomemos 0,8 g de calcio al día. Suponiendo que solo tomamos calcio en la leche, ¿qué cantidad de leche deberíamos beber diariamente para llegar a la cantidad recomendada? Dato: la leche tiene, por término medio, un 0,12% de calcio. La cantidad de leche sería: 0,8

3.

g de calcio día

⋅

100 g de leche 0,12 g de calcio

= 666,7

g de leche día

La cerveza «sin alcohol» tiene hasta un 1% de alcohol. Calcula qué cantidad de cerveza «sin alcohol» debe beber una persona para consumir 25 mL de alcohol. En este caso: 25 mL de alcohol ⋅

4.

100 mL de cerveza 1 mL de alcohol

Nos podemos preparar un buen refresco poniendo en un vaso grande: 4 g de café soluble descafeinado (2 sobrecitos), 20 g de azúcar (2 sobres) y agua hasta completar 200 mL (el vaso grande lleno). Solo falta revolver y poner una hora en la nevera. Calcula la concentración en masa de las sustancias que forman este refresco. La concentración en masa es: • c café =

mcafé 4g g = = 20 Vdisolución 0,2 L L

• c azúcar =

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= 2500 mL de cerveza

mazúcar 20 g g = = 100 Vdisolución 0,2 L L

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SOLUCIONARIO

5.

Para preparar un licor se añadieron 200 g de azúcar a medio litro de un aguardiente de orujo de densidad 1,05 kg/L. La disolución resultante tenía un volumen de 550 mL. Calcula el % en azúcar del licor resultante, su concentración en g/L y su densidad. Ahora tenemos: m → maguardiente = d aguardiente ⋅ Vaguardiente = V kg = 1,05 ⋅ 0,5 L = 0,525 kg = 525 g L

d =

mazúcar ⋅ 100 → mdisolución 200 g → %(azúcar ) = ⋅ 100 = 27,59% 525 g + 200 g %(azúcar ) =

c azúcar = dlicor = 6.

mazúcar 200 g g = = 363,6 Vdisolución 0,55 L L

mlicor 525 g + 200 g g kg = = 1,318 = 1,318 Vlicor 550 mL mL L

Queremos preparar 250 mL de una disolución acuosa de cloruro de potasio 1,5 M. Calcula qué cantidad de soluto necesitamos y explica cómo la prepararemos. La cantidad de soluto es: M =

nsoluto n → 1,5 M = soluto → nsoluto = 1,5 ⋅ 0,25 = 0,375 mol Vdisolución 0,25 L

Y además:

M (KCl) = 39,1 + 35,5 = 74,6 g/mol → 0,375 mol de KCl ⋅

74,6 g de KCl 1 mol de KCl

= 27,98 g de KCl

El procedimiento se indica en la página 58 del libro. 7.

Calcula el volumen de disolución de sulfuro de sodio 1,25 M que tenemos que emplear para tener 0,5 mol de sulfuro de sodio. ¿Cuántos gramos de sulfuro de sodio tendremos entonces? El volumen es: nsoluto 0,5 mol → → 1,25 M = Vdisolución Vdisolución 0,5 mol → Vdisolución = = 0,4 L = 400 mL 1,25 M M =

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3 Disoluciones Entonces:

M (Na2S) = 2 ⋅ 23 + 32 = 78 g/mol → 0,5 mol de Na2S ⋅

8.

78 g de Na2S 1 mol de Na2S

= 39 g de Na2S

¿Cuál será la concentración de una disolución que se prepara añadiendo agua a 50 mL de una disolución de HNO3 1,5 M hasta tener un volumen de 250 mL? Primero debemos calcular los moles de soluto que habrá en la disolución resultante: M =

nsoluto n → 1,5 M = soluto → Vdisolución 0,05 L

→ nsoluto = 1,5 M ⋅ 0,05 L = 0,075 mol Estos serán los moles de soluto que tendremos en la disolución final. Calculamos su concentración: M = 9.

nsoluto 0,075 mol →M = = 0,3 M Vdisolución 0,25 L

Calcula la molaridad de la disolución que resulta de añadir 3 g de Mg(OH)2 a 150 mL de disolución de Mg(OH)2 0,5 M. Se supone que el volumen total no varía. Calculamos los moles de soluto que hay en la disolución resultante. Son los que hay en 3 g más los que había en los 150 mL de la disolución 0,5 M M =

nsoluto n → 0,5M = soluto → nsoluto = 0,5 ⋅ 0,15 = 0, 075 mol Vdisolución 0,15 L

Entonces:

M [Mg(OH)2] = 24,3 + 2 ⋅ (16 + 1) = 58,3 g/mol → 1mol de Mg(OH)2 → 3 g de Mg(OH)2 ⋅ = 0,051mol de Mg(OH)2 58,3 g de Mg(OH)2 Calculamos la molaridad de la disolución resultante: M = 10.

nsoluto 0,075 mol + 0,051mol →M = = 0,84 M Vdisolución 0,15 L

¿Cuál es la molaridad del ácido sulfúrico comercial del 96% de riqueza y 1,85 g/mL de densidad? La concentración es una propiedad intensiva. Por tanto, basta con tomar una cantidad cualquiera del ácido comercial y referir a él todos los cálculos.

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SOLUCIONARIO

Partimos de 100 g de H2SO4 comercial → 96 g de H2SO4 puro. Hay que determinar los moles de soluto que representa esa cantidad y el volumen que ocupan los 100 g del ácido comercial:

M (H2SO4) = (2 ⋅ 1) + 32 + (4 ⋅ 16) = 98 g/mol → 1mol de H2SO4 96 g de H2SO4 ⋅ = 0,98 mol de H2SO4 98 g de H2SO4 La densidad es: d =

m m 100 g →V = = = 54,05 mL g V d 1,85 mL

Y la molaridad: M = 11.

nsoluto 0,98 mol →M = = 18,15 M Vdisolución 0,054 L

Contesta: a) ¿Qué cantidad de glucosa (C6H12O6) tenemos que mezclar con medio litro de agua para tener una disolución 1,2 m? b) ¿Y con 2 L de agua? Suponemos que la densidad del agua es 1 g/mL a) m =

nsoluto mdisolvente (kg)

→ 1,2 m =

nsoluto → 0,5 kg

→ nsoluto = 1,2 m ⋅ 0,5 kg = 0,6 mol

M (C6H12O6) = (6 ⋅ 12) + (12 ⋅ 1) + (6 ⋅ 16) = 180 g/mol → 180 g de glucosa 0,6 mol de glucosa ⋅ = 108 g de glucosa 1 mol de glucosa b) m =

nsoluto n → 1,2 m = soluto → mdisolvente (kg) 2 kg

→ nsoluto = 1,2 m ⋅ 2 kg = 2,4 mol 2,4 mol de glucosa ⋅ 12.

180 g de glucosa 1 mol de glucosa

= 432 g de glucosa

¿Qué cantidad de glucosa (C6H12O6) tenemos que mezclar con medio litro de agua para que su fracción molar sea 0,2? nglucosa nglucosa → 0,2 = → 500 g nglucosa + nagua nglucosa + g 18 mol → 0,2 ⋅ nglucosa + 0,2 ⋅ 27,28 mol = nglucosa

X glucosa =

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3 Disoluciones → 0,2 ⋅ 27,28 mol = nglucosa − 0,2 ⋅ nglucosa = 0, 8nglucosa → → nglucosa =

0,2 ⋅ 27,28 mol = 6,94 mol 0, 8

M (C6H12O6) = (6 ⋅ 12) + (12 ⋅ 1) + (6 ⋅ 16) = 180 g/mol → 180 g de glucosa → 6,94 mol de glucosa ⋅ = mol de glucosa = 1.249 g de glucosa = 1,249 kg de glucosa 13.

Tenemos una disolución de ácido clorhídrico (HCl) 9 molal y densidad 1,15 g/mL. Calcula su concentración en g/L, molaridad y fracción molar. La concentración es una propiedad intensiva. Por tanto, basta con tomar una cantidad cualquiera del HCl 9 m y referir a él todos los cálculos. Partimos de 1 L de ese ácido. El dato de la densidad nos permite conocer la masa equivalente: d =

m g → m = d ⋅ V = 1,15 ⋅ 10 3 mL = 1150 g V mL

La concentración molal permite establecer una relación entre la masa del soluto y la del disolvente: msoluto MHCl m= = mdisolvente (kg) mdisolvente (kg ) nsoluto

M (HCl) = 1 + 35,5 = 36,5 g/mol. Por tanto: msoluto msoluto 36,5 9= = → mdisolvente (kg ) 36,5 ⋅ mdisolvente(kg) → msoluto = 9 ⋅ 36,5 ⋅ mdisolvente (kg) = 328,5 ⋅ mdisolvente (kg) Teniendo en cuenta la masa correspondiente a 1 L disolución: msoluto + mdisolvente (g) = 1150 g 328,5mdisolvente (kg) + mdisolvente ⋅ 10 3 = 1150 g → 1150 → mdisolvente = = 0,8656 kg → 328,5 + 10 3 → msoluto = 328,5mdisolvente (kg) = 328,5 ⋅ 0, 8656 = 284,4 g → ⎛g⎞ mHCl 284,4 g g = = 284,4 → → cHCl ⎜⎜ ⎟⎟⎟ = ⎝⎜ L ⎠⎟ Vdisolución 1L L

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SOLUCIONARIO

Y entonces: 284,4 g nsoluto 36,5 g/mol M = →M = = 7,7 79 M Vdisolución 1L

X HCl

14.

nHCl = → X HCl = nHCl + nagua

284,4 g 36,5 g/mol = 0,14 865,6 g 284,4 g + 36,5 g/mol 18 g/mol

Lee la gráfica de la solubilidad del azúcar en agua y calcula la máxima cantidad de azúcar que se podrá disolver en 50 mL de agua a 20 °C. ¿Y si estuviese a 80 °C? Solubilidad (g/100 mL agua) 600 Azúcar

500 400 300 200 100

Sal

0 0

20

40

60

80 100 120 Temperatura (°C)

100 g; 187,5 g. 15.

Imagina que has cogido 200 mL de agua y has preparado una disolución saturada de azúcar a 70 °C. ¿Qué cantidad de azúcar se irá al fondo del vaso si la enfrías hasta 20 °C? A 70 ºC, la cantidad de azúcar en 200 mL de una disolución saturada: 660 g. A 20 ºC, la cantidad de azúcar en 200 mL de una disolución saturada: 400 g. Al enfriar de 70 ºC a 20 ºC se irán al fondo 260 g de azúcar.

16.

La temperatura del agua de un río es de unos 15 °C, pero un vertido industrial hizo que subiese hasta 35 °C. Observa la gráfica y explica en qué proporción varió la cantidad de oxígeno del agua. ¿Qué consecuencia pudo tener para los peces que viven en ese río?

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3 Disoluciones Solubilidad (mg/L) 16 14 12 10 8 6 4 2 0

O2

0

20

10

30

40 T (°C)

Solubilidad del O2 a 15 ºC: 10 mg/L; Solubilidad del O2 a 35 ºC: 7 mg/L. Proporción en que se redujo el oxígeno disuelto: 3 ⋅ 100 = 30 % 10 Los peces tendrán dificultad para respirar y es probable que se mueran. 17.

La presión de vapor de la acetona (CH3—CO—CH3) a 50 °C es de 603 mm de Hg. Al disolver 15 g de una sustancia en 100 g de acetona, la presión de vapor de la disolución a esa temperatura pasa a ser de 473 mm de Hg. ¿Cuál es la masa molecular de esa sustancia? De acuerdo con la ley de Raoult: ΔP = P0 ⋅ XS → 603 − 473 = 603 ⋅ XS → X s =

Xs =

603 − 473 = 0,216 603

ns n s + nd

Podemos calcular los moles de acetona, CH3—CO—CH3 (disolvente):

M (acetona) = 3 ⋅ 12 + 6 ⋅ 1 + 16 = 58 g/mol → → nacetona = 100 g de acetona ⋅ 0,216 =

1mol de acetona 58 g de acetona

= 1,724 mol de acetona

ns → 0,216 ⋅ ns + 0,216 ⋅ 1,724 = ns → ns + 1,724 → 0, 372 = ns − 0,216 ⋅ ns = 0,784 ⋅ ns 0, 372 = 0,475 mol → 0,784 15 g soluto → Mmolar soluto = = 31,61 g/mol 0,475 mol ns =

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SOLUCIONARIO

18.

¿Cuál será el punto de ebullición de una disolución que se prepara disolviendo 150 g de glucosa (C6H12O6) en 250 g de agua? Toma los datos que necesites de la tabla de esta página. Ke (°C ⋅ kg/ mol)

Teb a 1 atm (°C)

Agua

0,51

100

Benceno

2,64

80

Etilenglicol

2,26

197

Ácido acético

3,22

118

Ciclohexanol

3,5

161

Disolvente

La variación en la temperatura de ebullición es: Δt = K e ⋅ m = K e ⋅

ns mdisolvente (kg)

Entonces:

M (C6H12O6) = (6 ⋅ 12) + (12 ⋅ 1) + (6 ⋅ 16) = 180 g/mol → 150 g ºC ⋅ kg 180 g/mol → Δt = 0,51 ⋅ 0,25 kg mol El punto de ebullición de la disolución será 100 ºC + 1,7 ºC = 101,7 ºC 19.

¿Cuál será la masa molar de una sustancia si al disolver 90 g de la misma en un cuarto litro de agua se obtiene una disolución que hierve a 102 °C. Toma los datos que necesites de la tabla de esta página. En este caso: Δt = K e ⋅ m = K e ⋅ → ns =

20.

ns mdisolvente (kg)

→ 2 ºC = 0,51

ns ºC ⋅ kg ⋅ → mol 0,25 kg

2 ⋅ 0,25 90 g soluto = 0,98 mol → Mmolar soluto = = 91,84 g/mol 0,51 0,98 mol

¿Cuál será el punto de congelación de una disolución que se prepara disolviendo 150 g de glucosa (C6H12O6) en 250 g de agua? Toma los datos que necesites de la tabla de la página siguiente. Ahora: Δt = K c ⋅ m = K c ⋅

ns mdisolvente (kg)

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3 Disoluciones Ke (°C ⋅ kg/ mol)

Teb a 1 atm (°C)

Agua

1,86

0

Benceno

5,07

6

Etilenglicol

3,11

13

Ácido acético

3,63

17

Disolvente

Y tenemos: M (C6H12O6) = (6 ⋅ 12) + (12 ⋅ 1) + (6 ⋅ 16) = 180 g/mol → 150 g ºC ⋅ kg 180 g/mol → Δt = 1, 86 ⋅ = 6,2 ºC 0,25 kg mol El punto de congelación de la disolución será 0 ºC – 6,2 ºC = −6,2 ºC. 21.

Se desea preparar un anticongelante que se mantenga líquido a 25 grados bajo cero. ¿Qué cantidad de etilenglicol (CH2OH—CH2OH) debemos añadir a medio litro de agua para lograrlo? Toma los datos que necesites de la tabla de esta página. Ahora: Δt = K c ⋅ m = K c ⋅ → 25 ºC = 1, 86

ns → mdisolvente (kg)

ns 25 ⋅ 0,25 ºC ⋅ kg ⋅ → ns = = 3,36 mol mol 0,25kg 1, 86

M (etilenglicol, CH2OH−CH2OH) = (2 ⋅ 12) + (1 ⋅ 6) + (2 ⋅ 16) = 62 g/mol. 3,36 mol de etilenglicol ⋅

22.

62 g de etilenglicol 1 mol de etilenglicol

= 208,3 g de etilenglicol

¿Cúal es la presión osmótica de una disolución que se obtiene disolviendo 30 g de glucosa (C6H12O6) en agua hasta tener medio litro de mezcla a 25 °C.

M (C6H12O6) = (6 ⋅ 12) + (12 ⋅ 1) + (6 ⋅ 16) = 180 g/mol. Entonces: π = M ⋅ R ⋅T =

ns ⋅ R ⋅T = Vdisolución(L)

30 g atm ⋅ L 180 g/mol = ⋅ 0, 082 ⋅ (273 + 25) K = 8,15 atm 0,5 5L mol ⋅ K

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SOLUCIONARIO

23.

¿Cuál es la presión osmótica de la disolución anterior cuando la temperatura centígrada se duplica? En este caso: 30 g atm ⋅ L 180 g/mol π = M ⋅ R ⋅T = ⋅ 0, 082 ⋅ (273 + 50) K = 8,83 atm 0,5L mol ⋅ K

24.

Indica cuál o cuáles son los solutos y cuál es el disolvente en las siguientes disoluciones: a) Refresco con gas. b) Bebida isotónica.

c) Vino. d) Acero. Bebida

Refresco con gas

25.

isotónica

Vino

Acero

Soluto

CO2 azúcar, saborizantes, etc.

Sal, azúcar, sustancias saborizantes

Taninos, colorantes, alcohol

Carbono

Disolvente

Agua

Agua

Agua

Hierro

Completa un cuadro con los modos que conoces de expresar la concentración de una disolución e indica las unidades en que se mide en cada caso. Forma de espresar la concentración % en masa de soluto =

masa de soluto ⋅ 100 masa de disolución

% en volumen de soluto =

volumen de soluto ⋅ 100 volumen de disolución

concentración en masa de soluto = concentración molar de soluto = M =

Xs =

moles de soluto volumen (L) de disolución

n V

concentración molal de soluto = m=

masa de soluto volumen de disolución

moles de soluto masa (kg) de disolvente

n

Unidad Adimensional Adimensional g/L

mol/L

mol/kg

mdisolvente (kg ) moles de soluto ns = moles de soluto + moles de disolvente n s + nd

Adimensional

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3 Disoluciones 26.

Explica la diferencia entre estas dos expresiones: a) Una disolución de hidróxido de sodio en agua tiene una concentración de 1,5 g/L. b) Una disolución de hidróxido de sodio en agua tiene una densidad de 1,5 g/L. concentración = densidad =

27.

masa de soluto volumen de disolución

masa de disolución masa soluto + masa disolvente = volumen de disolución volumen de disolución

¿Es lo mismo una disolución saturada que una disolución concentrada? No. Una disolución saturada en unas condiciones no admite más cantidad de soluto con relación a una cantidad de disolvente. Una disolución concentrada tiene una elevada proporción de soluto con relación al disolvente. Una disolución saturada puede ser diluida, si el soluto es poco soluble.

28.

Explica por qué las cervezas se sirven en vasos muy fríos. Las cervezas son disoluciones en la que uno de los solutos es un gas (CO2) y el disolvente es agua. La solubilidad de los gases en líquidos disminuye al aumentar la temperatura. La cerveza se sirve en vasos muy fríos para mantener la mayor cantidad de gas disuelto.

29.

Razona si son ciertas o no las siguientes afirmaciones: a) Al aumentar la temperatura aumenta la solubilidad de las sustancias. b) Una disolución sobresaturada es una mezcla heterogénea. c) La solubilidad del oxígeno en agua se incrementa al aumentar la presión. d) Una disolución saturada puede ser también una disolución diluida. e) Para eliminar el cloro del agua es bueno meterla en la nevera. a) Esto es cierto en la mayoría de los casos en los que el soluto es un sólido y el disolvente es un líquido, aunque hay excepciones, como la disolución de la sal en agua. Si el soluto es un gas, su solubilidad disminuye al aumentar la temperatura. b) Una disolución sobresaturada es un estado inestable de la materia. Mientras se mantiene la disolución, es una mezcla homogénea. Cuando se produce algún cambio que hace que precipite el exceso de soluto, es una mezcla heterogénea. c) Cierto. La solubilidad de los gases en agua aumenta al aumentar la presión.

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SOLUCIONARIO

d) Cierto. Sucede cuando el soluto es poco soluble en el disolvente. e) Falso. La solubilidad de los gases en agua aumenta al disminuir la temperatura. Para eliminar el cloro del agua conviene calentarla. 30.

Apóyate en la teoría cinética de la materia para explicar por qué la presión de vapor de una sustancia aumenta al aumentar la temperatura. Al aumentar la temperatura es porque aumenta la energía cinética de las partículas, lo que facilita que las moléculas que se encuentran en estado líquido se liberen de las fuerzas que las mantienen unidas a las vecinas y puedan pasar a fase gas. Al aumentar la proporción de partículas que pueden estar en fase gas en equilibrio con un líquido, aumenta la presión que estas ejercen, que es la presión de vapor.

31.

Indica algún procedimiento que te permita calentar agua por encima de 100 °C y que se mantenga en estado líquido. Calentarla a una presión por encima de 1 atmósfera. También se puede conseguir disolviendo en agua un soluto no volátil.

32.

Cuando hace mucho frío, las carreteras se hielan, lo que supone un grave peligro para la circulación. Para evitarlo, se echa sal. ¿Qué se consigue con ello?

La disolución de sal en agua tiene un punto de fusión inferior que el del agua en estado puro. La sal logra que el agua se mantenga líquida por debajo de 0 ºC y evita la formación de hielo, que reduce el rozamiento y hace peligrosa la conducción. 33.

Explica por qué hinchan las uvas pasas cuando se dejan en agua. El interior de la uva es hipertónica con respecto al agua. Como la piel de la uva es una membrana semipermeable, el agua pasará a su través hasta que la presión dentro de la uva se iguale con la de fuera. El resultado es que la uva se hincha.

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3 Disoluciones 34.

¿Por qué es peligroso inyectar directamente agua destilada a una persona? Las células sanguíneas se encuentran en un medio externo que es isotónico con respecto al medio intracelular. Si inyectamos agua destilada, disminuye la concentración en el medio extracelular y, como las membranas celulares son semipermeables, pasará agua de fuera a dentro hasta que se igualen las presiones osmóticas a ambos lados. Si se inyecta mucha cantidad de agua destilada las células pueden llegar a romperse.

35.

En días de mucho calor, las personas sensibles corren el riesgo de deshidratarse. ¿Por qué se recomienda que estas personas tomen bebidas isotónicas? Para que se mantenga el equilibrio osmolar. (Ver la respuesta a la pregunta anterior.)

36.

Probablemente habrás oído que los náufragos se pueden morir de sed. ¿Cómo es posible, si el agua del mar tiene más de un 90% de agua?

La presión osmótica del agua del mar es mayor que la de los líquidos intracelulares. Si bebemos agua del mar, las células se encontrarán en un medio hipertónico y saldrá agua de su interior con la intención de que se igualen las presiones a ambos lados de la membrana celular. El resultado es que las células se deshidratan. 37.

El alcohol es irritante para la piel de los bebés. Por eso para ellos se utiliza una mezcla de alcohol y agua al 70%. Supón que en casa tienes 100 g de alcohol al 90%. ¿Qué tienes que hacer para transformarlo en alcohol para bebés? En 100 g de alcohol al 90 % tendremos 90 g de alcohol y 10 g de agua. Calculamos la cantidad de agua que tenemos que añadir para que se convierta en alcohol al 70%:

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SOLUCIONARIO

70 g de alcohol 90 g de alcohol = → 100 g de disolución 100g disolución + x g de agua 90 ⋅ 100 → x g de agua = − 10 00 = 28,57 g 70 A 100 g de alcohol al 90 % tenemos que echarle 28,57 g de agua. 38.

La etiqueta de un agua mineral dice que contiene sodio: 50,5 mg/L, flúor: 0,4 mg/L y calcio: 9,2 mg/L. Sabiendo que la cantidad diaria recomendada (CDR) para una persona de cada uno de estos elementos es: • Sodio → 200 mg. • Flúor → 2 mg. • Calcio → 800 mg. a) ¿Que cantidad de agua deberíamos tomar para conseguir la CDR de cada uno de estos elementos? b) ¿Puedes decir que esta agua es una buena fuente de calcio? Tenemos: •

200 mg de sodio ⋅

•

2 mg de flúor ⋅

•

800 mg de calcio ⋅

1L 50,5 mg de sodio 1L

0,4 mg de flúor

= 3,96 L

= 5L

1L 9,2 mg de sodio

= 86,96 L

El agua no es una buena fuente de calcio. 39.

El análisis de sangre de una persona dice lo siguiente: Glucosa → 89 mg/100 mL Una persona adulta tiene alrededor de 5 litros de sangre. ¿Cuánta glucosa tiene en su sangre? 5 L de sangre ⋅

89 mg de glucosa 0,1 L de sangre

=

= 4, 45 ⋅ 10 3 mg de glucosa = 4,45 g de glucosa 40.

Calcula la concentración en g/L de un ácido clorhídrico comercial del 37% de riqueza en peso y densidad 1,18 g/mL. La concentración es una propiedad intensiva. Por tanto, basta con tomar una cantidad cualquiera del HCl comercial y referir a él todos los cálculos. Partimos de 1 L de ese ácido.

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3 Disoluciones El dato de la densidad nos permite conocer la masa equivalente: d ácido comercial =

mHCl comercial → mHCl comercial = VHCl comercial

= d ácido comercial ⋅ VHCl comercial = 1,18

g mL

⋅ 10 3 mL = 1,18 ⋅ 10 3 g

El dato de la riqueza nos permite conocer la cantidad de HCl que hay en esa cantidad: 1,18 ⋅ 10 3 g de HCl comercial ⋅ = 436,6 g de HCl → cHCl = 41.

37 g de HCl 100 g de HCl com mercial

mHCl Vdisolución

=

=

436,6 g g = 436,6 1L L

En el laboratorio tenemos un ácido clorhídrico del 37% de riqueza en peso y 1,18 g/mL de densidad. Si cogemos 70 mL del contenido de esa botella, ¿cuánto ácido clorhídrico estaremos usando? El procedimiento es el mismo que el del problema anterior, pero trabajando con 70 mL de HCl comercial: mHCl comercial = d ácido comercial ⋅ VHCl comercial = 1,18

g ⋅ 70 mL = 82,6 g mL

El dato de la riqueza nos permite conocer la cantidad de HCl que hay en esa cantidad: 82,6 g de HCl comercial ⋅

42.

37 g de HCl 100 g de HCl comercial

= 30,56 g de HCl

Calcula qué volumen de ácido clorhídrico comercial del 37% de riqueza y 1,18 g/mL de densidad tendremos que utilizar para tener 20 g de ácido clorhídrico. Comenzaremos calculando la cantidad de ácido comercial que hay que tomar para tener 20 g de HCl. El dato de la densidad nos permitirá conocer el volumen equivalente: 20 g de HCl ⋅

100 g de HCl comercial 37 g de HCl

d ácido comercial = =

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= 54,05 g de HCl comercial

mHCl comercial → VHCl comercial = VHCl comercial

mHCl comercial 54,05 g = 45,81mL = 1,18 g/mL dHCl comercial

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SOLUCIONARIO

43.

Tenemos 15 mL de una disolución de yoduro de potasio en agua 0,5 M. Calcula los moles y los gramos de yoduro de potasio que tenemos. Ahora: M =

nsoluto nsoluto → 0,5M = → Vdisolución 0,015 L

→ nsoluto = 0,5 ⋅ 0, 015 = 0,0075 mol Entonces:

M (KI) = 39,1 + 126,9 = 166 g/mol → → 0,0075 mol de KI ⋅

44.

166 g de KI 1 mol de KI

= 1,245 g de KI

Necesitamos preparar 500 mL de una disolución de NaOH 2 M. Calcula qué cantidad de soluto necesitas y explica cómo la prepararás si dispones de un producto comercial del 95% de riqueza en NaOH. Con los datos del enunciado calculamos la cantidad de producto comercial que precisamos: M =

nsoluto n → 2 M = soluto → nsoluto = 2 M ⋅ 0,5 L = 1mol Vdisolución 0,5 L

M (NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 g/mol → → 1 mol de NaOH ⋅

40 g de NaOH 1 mol de NaOH

= 40 g de NaOH

Como el producto comercial tiene una riqueza del 95 %, necesitaremos tomar: 40 g de NaOH ⋅

100 g de NaOH comercial 95 g de NaOH

= 42,11 g de NaOH comercial


Necesitamos preparar 500 mL de una disolución de ácido clorhídrico 2 M. Calcula qué cantidad de soluto necesitas y explica cómo la prepararás si dispones de un ácido comercial del 37% de riqueza en peso y densidad 1,18 g/mL. Con los datos del enunciado, calculamos la cantidad de producto comercial que precisamos: M =

nsoluto n → 2 M = soluto → nsoluto = 2 M ⋅ 0,5 L = 1mol Vdisolución 0,5 L

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3 Disoluciones Entonces:

M (HCl) = 35,5 + 1 = 36,5 g/mol → → 1 mol de HCl ⋅

36,5 g de HCl 1 mol de HCl

= 36,5 g de HCl

Como el producto comercial tiene una riqueza del 37 %, necesitaremos tomar: 36,5 g de HCl ⋅

100 g de HCl comercial 37 g de HCl

= 98,65 g de HCl comercial

Al tratarse de un líquido, utilizaremos el dato de la densidad para calcular el volumen equivalente: d ácido comercial = VHCl comercial =

mHCl comercial VHCl comercial

mHCl comercial 98,65 g = = 83,6 mL dHCl comercial 1,18 g/mL


Preparamos una disolución mezclando agua y ácido sulfúrico comercial hasta tener un volumen de 500 mL. Calcula la concentración de la disolución resultante si se han utilizado 15 mL de un ácido sulfúrico del 96% de riqueza y 1,85 g/mL de densidad. Calculamos la cantidad de soluto que hay en los 15 mL del ácido comercial: d ácido comercial =

mácido comercial → mácido comercial = d ácido comercial ⋅ Vácido comercial

g ⋅ 15 mL =→ 27,75 g de ácido comercial ⋅ mL 96 g de H2SO4 ⋅ = 26,64 g de H2SO4 100 g de ácido comercial

⋅ Vácido comercial = 1,85

Entonces:

M (H2SO4) = 2 ⋅ 1 + 32 + 4 ⋅ 16 = 98 g/mol → → 26,64 g de H2SO4 ⋅ →M =

80

1mol 98 g de H2SO4

= 0,27 mol →

0,27 mol mol nsoluto →M = = 0,54 Vdisolución 0,5 L L

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SOLUCIONARIO

47.

Indica cómo prepararías 100 mL de una disolución de hidróxido de calcio 0,5 M si dispones de 500 mL de disolución de hidróxido de calcio 2,5 M. Inicialmente debemos calcular los moles de soluto que necesitamos para preparar la disolución 0,5 M. Luego calcularemos la cantidad de disolución 2,5 M que necesitamos para tener esos moles de soluto: M =

nsoluto n → 0,5 M = soluto → nsoluto = 0,5 M ⋅ 0,1 L = 0,05 mol Vdisolución 0,1L

2,5 M =

0,05 mol 0,05 mol → Vdisolución = = 0,02 L = 20 mL Vdisolución 2,5 M

Necesitamos coger 20 mL de la disolución 2,5 M y diluir hasta tener 100 mL. 48.

¿Cuál es la mínima cantidad de HNO3 5 M que se necesita para preparar 250 mL de disolución de HNO3 0,5 M? Inicialmente debemos calcular los moles de soluto que necesitamos para preparar la disolución 0,5 M. Luego calcularemos la cantidad de disolución 5 M que necesitamos para tener esos moles de soluto: M =

nsoluto n → 0,5 M = soluto → Vdisolución 0,25 L

→ nsoluto = 0,5 M ⋅ 0,25 L = 0,125 mol → 5 M = 0,125 mol 0,125 mol → Vdisolución = = 0,025 L = 25 mL = 5M Vdisolución Necesitamos coger 25 mL de la disolución 5 M y diluir hasta tener 250 mL. 49.

¿Cuál es la máxima cantidad de HNO3 0,5 M que se puede preparar a partir de 15 mL de HNO3 5 M? Calculamos los moles de soluto que tenemos en los 15 mL de disolución 5 M y vemos el volumen de disolución 0,5 M que contienen esos moles: M = 5M =

0,5 M =

nsoluto Vdisolución

nsoluto → nsoluto = 5 M ⋅ 0, 015 L = 7,5 ⋅ 10−3 mol 0,015 L

0,075 mol 0,075 mol → Vdisolución = = 0,15 L = 150 mL Vdisolución 0,5 M

Se pueden preparar hasta 150 mL.

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3 Disoluciones 50.

Calcula qué cantidad de sulfato de cobre (II) pentahidratado necesitas para preparar 250 mL de una disolución que sea 0,8 M en sulfato de cobre (II). A partir de la expresión de la molaridad: M =

nsoluto n → 0, 8 M = soluto → nsoluto = 0, 8 M ⋅ 0,25 L = 0,2 mol Vdisolución 0,25 L

Fórmula del sulfato de cobre (II): CuSO4. Fórmula del sulfato de cobre (II) pentahidratado: CuSO4 ⋅ 5 H2O. Para tener 1 mol de sulfato de cobre (II) necesitamos 1 mol del sulfato de cobre (II) pentahidratado, que es la sustancia que tenemos para preparar la disolución:

M (CuSO4 ⋅ 5 H2O) = 63,5 + 32 + (4 ⋅ 16) + 5 ⋅ (2 ⋅ 1 + 16) = = 249,5 g/mol → 0,2 mol de CuSO4 ⋅ 5 H2O ⋅ ⋅

51.

249,5 g de CuSO4 ⋅ 5 H2O 1 mol de CuSO4 ⋅ 5 H2O

= 49,9 g de CuSO4 ⋅ 5 H2O

Calcula la molaridad de la disolución que resulta de añadir 10 mL de HNO3 comercial, del 67% de riqueza y 1,4 g/mL de densidad, a 80 mL de HNO3 0,8 M. Se supone que los volúmenes son aditivos. Calculamos los moles de soluto que hay en cada una de las dos fracciones que añadimos: • 10 mL de HNO3 comercial, del 67% de riqueza y 1,4 g/mL de densidad: d ácido comercial =

mácido comercial → Vácido comercial

→ mácido comercial = d ácido comercial ⋅ Vácido comercial = 1, 4 = 14 g de ácido comercial ⋅

67 g de HNO3 100 g de ácido comercial

g ⋅ 10 mL = mL = 9,38 g de HNO3

Entonces:

M (HNO3) = 1 + 14 + (3 ⋅ 16) = 63 g/mol → → 9,38 g de HNO3 ⋅

1mol de HNO3 63 g de HNO3

= 0,15 mol

• 80 mL de HNO3 0,8 M: M =

82

nsoluto n → 0, 8 M = soluto → nsoluto = 0, 8 M ⋅ 0, 08 L = 0,064 mol Vdisolución 0,08 L

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SOLUCIONARIO

Entonces: M =

52.

nsoluto 0,15 + 0, 064 mol →M = = 2, 38 −3 Vdisolución (10 + 80) ⋅ 10 L L

¿Cuál es la molaridad de un ácido clorhídrico comercial del 37% de riqueza y 1,18 g/mL de densidad? La concentración es una propiedad intensiva, por tanto, basta con tomar una cantidad cualquiera del ácido comercial y referir a él todos los cálculos. Partimos de 100 g de HCl comercial → 37 g de HCl puro Hay que determinar los moles de soluto que representa esa cantidad y el volumen que ocupan los 100 g del ácido comercial:

M (HCl) =1 + 35,5 = 36,5 g/mol → → 37 g de HCl ⋅

1mol de HCl = 1,014 mol de HCl 36,5 g de HCl

Por tanto: 100 g m m →V = = = 84,75 mL → g V d 1,18 mL nsoluto 1,014 mol →M = = 11,93 M →M = Vdisolución 0,085 L

d =

53.

¿Qué cantidad de agua tendremos que añadir a 15 mL de metanol (CH3OH) para tener una disolución 0,9 m? Dato: densidad del metanol = 0,8 g/mL. m=


Calculamos la masa equivalente a los 15 mL de metanol: d =

m g → m = d ⋅ V = 0,8 ⋅ 15 mL = 12 g V mL

Calculamos los moles de metanol que representa esa cantidad:

M (CH3OH) = 12 + (4 ⋅ 1) + 16 = 32 g/mol → 12 g de metanol ⋅

1mol de metanol 32 g de metanol

= 0,375 mol de metanol

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3 Disoluciones Entonces: m=


→ 0,9 m =

→ mdisolvente (kg) =

0,375 mol → mdisolvente (kg)

0,375 mol = 0,417 kg 0,9 m

Suponemos que la densidad del agua es 1 g/mL → 417 mL de agua. 54.

¿Cuál será la molalidad de un ácido clorhídrico comercial del 37% de riqueza y densidad 1,18 g/mL? La concentración es una propiedad intensiva. Por tanto, basta con tomar una cantidad cualquiera del ácido comercial y referir a él todos los cálculos. Partimos de 100 g de HCl comercial → 37 g de HCl puro + 63 g de agua. Hay que determinar los moles de soluto que representa esa cantidad y el volumen que ocupan los 100 g del ácido comercial:

M (HCl) =1 + 35,5 = 36,5 g/mol → 37 g de HCl ⋅

1mol de HCl 36,5 g de HCl

= 1,014 mol de HCl

Entonces: m=

55.


=

1,014mol = 16,1m 63 ⋅ 10−3 kg

¿Qué cantidad de agua tendremos que añadir a 15 mL de metanol (CH3OH) para tener una disolución en la que la fracción molar del disolvente sea 0,9? Dato: densidad del metanol = 0,8 g/mL. Calculamos los moles que representan los 15 mL de metanol de esas características. Para ello calculamos la masa equivalente a los 15 mL de metanol: d =

m m g →d = → m = d ⋅ V = 0,8 ⋅ 15 mL = 12 g V V mL

Calculamos los moles de metanol que representa esa cantidad:

M (CH3OH) = 12 + 4,1 + 16 = 32 g/mol → → 12 g de metanol ⋅

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1mol de metanol 32 g de metanol

= 0,375 mol de metanol

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SOLUCIONARIO

Entonces: nd nd → 0, 9 = → 0, 9 ⋅ 0, 375 + 0, 9 ⋅ nd = nd → n s + nd 0, 375 + nd 0, 3375 → 0, 9 ⋅ 0, 375 = nd − 0, 9 ⋅ nd = 0,1 ⋅ nd → nd = = 3,375 mol 0,1

Xd =

Calculamos la masa de agua equivalente: 3,375 mol de H2O ⋅

56.

18 g de H2O 1 mol de H2O

= 60,75 g de H2O

Tenemos un ácido nítrico (HNO3) comercial del 67% de riqueza y 1,4 g/mL de densidad. Calcula su concentración y exprésala como molaridad, molalidad y fracción molar. La concentración es una propiedad intensiva. Por tanto, basta con tomar una cantidad cualquiera del ácido comercial y referir a él todos los cálculos. Partimos de 100 g de HNO3 comercial → 67 g de HNO3 puro + 33 g de agua. Hay que determinar los moles de soluto que representa esa cantidad y el volumen que ocupan los 100 g del ácido comercial:

M (HNO3) =1 + 14 + (3 ⋅ 16) = 63 g/mol → 67 g de HNO3 ⋅

1mol de HNO3 63 g de HNO3

= 1,063 mol de HNO3

Entonces: 100 g m m →V = = = 71,43 mL → g V d 1,4 mL nsoluto 1,063 mol mol →M = = 14,88 → →M = Vdisolución L 71, 43 ⋅ 10−3 L d =

→m=


=

1,063 mol = 32,21m 33 ⋅ 10−3 kg

Y queda: Xs =

57.

ns 1,063 mol = = 0, 367 33 g n s + nd 1,063 mol + 18 g/mol

Tenemos una disolución de ácido sulfúrico (H2SO4) 2 M cuya densidad es 1,15 g/mL. Expresa su concentración como molalidad, fracción molar y porcentaje en masa.

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3 Disoluciones La concentración es una propiedad intensiva. Por tanto, basta con tomar una cantidad cualquiera de la disolución de ácido y referir a él todos los cálculos. Partimos de 1 L de H2SO4 2 M. Calculamos la masa de soluto y de disolvente que hay en ella. Para ello necesitaremos hacer uso de la densidad de la disolución: M =

nsoluto → nsoluto = M ⋅ V = 2 M ⋅ 1 L = 2 mol Vdisolución

Con la masa molar:

M (H2SO4) = (2 ⋅ 1) + 32 + (4 ⋅ 16) = 98 g/mol → 2 mol de H2SO4 ⋅

98 g de H2SO4 1 mol de H2SO4

= 196 g de H2SO4

Y queda: m m →d = → mdisolución = V V g ⋅ 1000 mL = 1150 g ⋅ Vdisoluciión = 1,15 mL

d = = d disolución Entonces:

mdisolvente = mdisolución − msoluto = 1150 g − 196 g = 954 g

•

m= Xs =

•


=

2 mol = 2,1m 0,954 kg

ns 2 mol = = 3,64 ⋅ 10−2 954 g n s + nd 2 mol + 18 g/mol

masa soluto 196 • masa disolución ⋅ 100 = 1150 ⋅ 100 = 17,, 04 % 58.

Se ha preparado una disolución de Na2SO4 en agua 2 M. ¿Qué cantidad de la misma tendríamos que coger para asegurarnos de que tenemos 500 mg de Na? De acuerdo con la estequiometría del compuesto, 1 mol de Na2SO4 tiene 2 mol de átomos de Na. Calculando los moles de Na que suponen los 500 mg, podemos determinar los moles de Na2SO4 equivalentes. Con ello podremos determinar el volumen de disolución que hay que tomar para tener esa cantidad de soluto:

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SOLUCIONARIO

0,5 g de Na ⋅

1mol de Na 23 g de Na

→ 2,17 ⋅ 10−2 mol de Na ⋅

= 2,17 ⋅ 10−2 mol de Na →

1mol de Na2SO4

= 1, 09 ⋅ 10−2 mol de Na2SO4

2 mol de Na

nsoluto 1, 09 ⋅ 10−2 mol → → 2M = Vdisolución Vdisolución 1, 09 ⋅ 10−2 mol = = 5, 45 ⋅ 10−3 L = 5,45 mL 2M

M = → Vdisolución

59.

Se prepara una disolución disolviendo 20 g de CaCl2 en agua hasta tener 250 mL. ¿Cuál es la concentración de cada uno de los iones que resultan de esta sal? Calculamos la concentración de la sal y, por su estequiometría, calculamos la concentración de cada uno de sus iones:

M (CaCl2) = 40,1 + 2 ⋅ 35,5 = 111,1 g/mol → → 20 g de CaCl2 ⋅ →M =

1mol de CaCl2 111,1 g de CaCl2

= 0,18 mol de CaCl2 →

nsoluto 0,18 mol = = 0,72 M Vdisolución 0,25 L

• CaCl2 → Ca2+ + 2 Cl− 0,72 mol de CaCl2 ⋅

2 mol de Cl 1 mol de CaCl2

→ 0,72 mol de CaCl2 ⋅

60.

= 1,44 M en Cl →

1mol de Ca 1 mol de CaCl2

= 0,72 M en Ca

Se ha preparado una disolución mezclando 100 mL de CaCl2 2 M con 150 mL de NaCl 1,5 M. ¿Cuál será la concentración de los iones cloruro en la disolución resultante? Se supone que los volúmenes son aditivos. De acuerdo con la estequiometría de los compuestos la disolución que es 2 M en CaCl2 es 4 M en Cl−. La disolución que es 1,5 M en NaCl es 1,5 M en iones Cl−. Calculamos los moles de iones cloruro que hay en cada una de las disoluciones que mezclamos: • Por la disolución de CaCl2: nsoluto = M ⋅ V = 4 M ⋅ 0,1 L = 0,4 mol

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3 Disoluciones • Por la disolución de NaCl: nsoluto = M ⋅ V = 1,5 M ⋅ 0,15 L = 0,225 mol Por tanto: M =

61.

(0, 4 + 0,225) mol nsoluto = = 2,5 M Vdisolución (0,1 + 0,15) L

Tratamos de disolver 50 g de nitrato de potasio en 50 mL de agua. ¿Cómo podremos hacerlo si la temperatura del laboratorio es de 25 °C? Obtén la información que precises de la gráfica de la página 62. A 25 ºC la solubilidad del nitrato de potasio es 65 g/100 mL agua. Para que se puedan disolver 100 g/100 mL hay que calentar por encima de 47 ºC.

62.

A 80 °C la presión de vapor del benceno (C6H6) es de 1 atm. Calcula la cantidad de hexano (C6H14) que debemos añadir a 200 g de benceno para que su presión de vapor sea de 700 mm de Hg. De acuerdo con la ley de Raoult: ΔP = P0 ⋅ X s → 760 − 700 = 760 ⋅ X s → 760 − 700 → Xs = = 0, 079 760 Podemos calcular los moles de benceno (disolvente):

M (benceno) = 6 ⋅ 12 + 6 ⋅ 1 = 78 g/mol → → nbenceno = 200 g de benceno ⋅

1mol de benceno 78 g de benceno

= 2,56 mol de benceno

Por tanto: ns ns → 0, 079 = → n s + nd ns + 2,56 → 0, 079 ⋅ ns + 0, 079 ⋅ 2,56 = ns → 0,202 = ns − 0, 079 ⋅ ns = 0,202 = 0, 921 ⋅ ns → ns = = 0,219 mol 0, 921 Xs =

Y entonces:

M (hexano) = 6 ⋅ 12 + 14 ⋅ 1 = 86 g/mol → → 0,219 mol de hexano ⋅

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86 g de hexano 1 mol de hexano

= 18,83 g de hexano

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SOLUCIONARIO

63.

Cuál será la presión de vapor a 80 °C de una disolución que se prepara disolviendo 30 mL de glicerina (C3H8O3) en 70 mL de agua. Datos: presión de vapor del agua a 80 °C = 355 mm de Hg; densidad de la glicerina = 1,26 g/mL; densidad del agua = 1 g/mL. De acuerdo con la ley de Raoult: ΔP = P0 ⋅ X s → P0 − P = P0 ⋅

ns ns → P = P0 − P0 ⋅ n s + nd n s + nd

Con el dato de la densidad calculamos la masa de cada sustancia y, con su masa molar, los moles equivalentes a esa masa: m m →d = → mglicerina = d glicerina ⋅ Vglicerina = V V g = 1,26 ⋅ 30 mL = 37,8 g → mL g → magua = d agua ⋅ Vagua = 1 ⋅ 70 mL = 70 g mL

d =

M (glicerina) = (3 ⋅ 12) + (8 ⋅ 1) + (3 ⋅ 16) = 92 g/mol; M (H2O) = (2 ⋅ 1) + 16 = 18 g/mol. Por tanto: 37,8 g 92 g/mol = 209 mm Hg P = 355 mm Hg − 355 mm Hg ⋅ 70 g 37,8 g + 18 g/mol 92 g/mol 64.

Al disolver 4 g de una sustancia en 50 g de benceno se obtuvo una disolución que hierve a 85 °C. Determina si la sustancia que se disolvió es metanal (HCHO) o etanal (CH3—CHO). Toma los datos que necesites de la tabla de la página 66. Ahora tenemos: Δt = K e ⋅ m = K e ⋅ 4 = 2,64

ns → (85 − 80) ºC = mdisolvente (kg)

ºC ⋅ kg ns 5 ⋅ 0, 05 ⋅ → ns = = mol 0,05 kg 2,64

= 0,0947 mol → M (molar soluto) =

4 g soluto = 42,24 g/mol 0,0947 mol

M (metanal): (2 ⋅ 1) + 12 + 16 = 30 g/mol; M (etanal): (4 ⋅ 1) + (2 ⋅ 12) + 16 = 44 g/mol. La sustancia disuelta es etanal.

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3 Disoluciones 65.

¿Cuál sería el punto de ebullición de la disolución resultante del ejercicio anterior si el soluto que se disolvió en el benceno fuese la otra sustancia distinta? Ahora: Δt = K e ⋅ m = K e ⋅

ns mdisolvente (kg)

→

4g ºC ⋅ kg 30 g/mol → Δt = 2,64 ⋅ = 7 ºC 0,05 kg mol Punto de ebullición del benceno = 80 ºC + 7 ºC = 87 ºC. 66.

Determina la masa molar de una sustancia si al disolver 17 g de la misma en 150 g de benceno se obtiene una mezcla que se congela a −4 °C. Toma los datos que necesites de la tabla de la página 67. En este caso: Δt = K c ⋅ m = K c ⋅ → (6 − (−4)) ºC = 5, 07

ns → mdisolvente (kg) ºC ⋅ kg ns ⋅ → mol 0,15 kg

10 ⋅ 0,15 = 0,296 mol → 5, 07 17 g soluto → Mmolar soluto = = 57,43 g/mol 0,296 mol → ns =

67.

La albúmina es una proteína del huevo. Calcula la masa molar de la albúmina si una disolución de 50 g de albúmina por litro de agua ejerce una presión osmótica de 27 mm de Hg a 25 °C. Tenemos: π = M ⋅ R ⋅T =

ns ⋅ R ⋅T → Vdisolución (L)

atm ⋅ L 27 mm Hg n = s ⋅ 0, 082 ⋅ (273 + 25) K → mm Hg 1L mol ⋅K 760 atm 27 mm Hg = 1,4 454 ⋅ 10−3 mol → ns = mm Hg atm ⋅ L 760 ⋅ 0, 082 ⋅ (273 + 25) K mol ⋅ K atm →

Por tanto: 50 g g = 34 390 → masa molar de la albúmina −3 1, 454 ⋅ 10 mol mol

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SOLUCIONARIO

68.

Un recipiente tiene dos compartimentos iguales separados por una membrana semipermeable. En uno de ellos se coloca una disolución que se ha preparado disolviendo 50 g de sacarosa (C12H22O11) en agua hasta tener medio litro de mezcla; y en el otro, una disolución que se ha preparado disolviendo 50 g de glucosa (C6H12O6) en agua hasta tener medio litro de mezcla. Al día siguiente, ¿cómo estarán los niveles de líquido en los dos compartimentos? Hay que determinar la presión osmótica de ambas disoluciones. Si son isotónicas, no habrá tránsito de moléculas de disolvente a través de la membrana semipermeable; pero si no es así, pasará disolvente desde la disolución hipotónica a la hipertónica hasta que se igualen las presiones. Ambas disoluciones estarán a la misma temperatura. Para obtener un resultado numérico comparable, supongamos que es 20 ºC.

M (glucosa, C6H12O6) = 6 ⋅ 12 + 12 ⋅ 1 + 6 ⋅ 16 = 180 g/mol. Por tanto: 50 g π = M ⋅ R ⋅ T → π glucosa = ⋅ 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K

ns Vdisolución (L)

180 0 g/ mol ⋅ R ⋅T = ⋅ 0,5 L

⋅ (273 + 20) K = 13,35 atm → 50 g

→ π glucosa = ⋅ 0, 082

ns Vdisolución (L)

atm ⋅ L mol ⋅ K

180 g/ mol ⋅ R ⋅T = ⋅ 0,5 L

⋅ (273 + 20) K = 13,35 atm

M (sacarosa, C12H22O11) = 12 ⋅ 12 + 22 ⋅ 1 + 11 ⋅ 16 = 342 g/mol. Por tanto: 50 g π sacarosa = ⋅ 0, 082

ns 342 g/ mol ⋅ R ⋅T = ⋅ Vdisolución (L) 0,5 L

atm ⋅ L mol ⋅ K

⋅ (273 + 20) K = 7,03 atm

El nivel de líquido en la disolución de glucosa habrá aumentado, ya que pasará agua de la disolución de sacarosa a la de glucosa. 69.

El suero fisiológico tiene una presión osmótica de 7,7 atm a 37 °C. a) ¿Se podrá inyectar a una persona un suero glucosado preparado añadiendo 20 g de glucosa (C6H12O6) a agua destilada hasta tener un volumen de 200 mL?

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3 Disoluciones b) Explica por qué. Se trata de determinar si ese suero glucosado tiene una presión osmótica similar al suero fisiológico: π = M ⋅ R ⋅T

M (glucosa, C6H12O6) = 6 ⋅ 12 + 12 ⋅ 1 + 6 ⋅ 16 = 180 g/mol. Por tanto: π = M ⋅ R ⋅ T → π glucosa =

ns Vdisolución (L)

⋅ R ⋅T =

20 g atm ⋅ L 18 80 g/ mol = ⋅ (273 + 37) K = 14,12 atm ⋅ 0, 082 0,2 L mol ⋅ K Este suero glucosado es hipertónico con respecto al suero fisiológico, por lo que saldrá agua del interior de las células.

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Los átomos

PRESENTACIÓN En esta unidad se abordará el estudio del átomo como elemento básico de la constitución de la materia. Se llegará al concepto actual del mismo después de un estudio crítico de los distintos modelos atómicos que surgieron a raíz de los descubrimientos científicos que se iban produciendo. Resulta de gran interés hacer ver al alumnado que el estudio del problema que aquí nos ocupa motivó la necesidad de reformular las bases de la propia física que cobra una nueva dimensión en el ámbito de la física cuántica. Estudiado el átomo como entidad se abordará el conocimiento de los átomos de los distintos elementos químicos y se predecirán o justificarán las propiedades que presentan analizando cómo están dispuestas en cada uno las partículas que lo forman. Con la mesura que requiere el curso en que nos encontramos evitaremos caer en automatismos habituales para obtener la configuración electrónica de los átomos o conocer como varían una serie de propiedades en los elementos; en su lugar, trataremos de justificar el porqué de los hechos experimentales.

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4 Los átomos OBJETIVOS • Conocer los hechos experimentales que sirvieron de base para el establecimiento de cada uno de los modelos atómicos (de Thomson, Rutherford y Bohr). • Analizar, de forma crítica, la consistencia de cada modelo con nuevos hallazgos experimentales y modificarlos en consecuencia. • Conocer, de forma cualitativa, los principios teóricos que sirvieron de base para el establecimiento del modelo atómico mecanocuántico. • Comprender e interpretar espectros atómicos sencillos. • Comprender el significado de los números cuánticos como determinantes del estado en que se encuentra un electrón en un átomo. • Elaborar, de forma razonada, la configuración electrónica de un átomo. • Reconocer el sistema periódico como una consecuencia de la configuración electrónica de los átomos. • Definir las propiedades periódicas de los elementos que se estudian en esta unidad. • Relacionar el valor de las propiedades periódicas de un conjunto de elementos con la configuración electrónica de sus átomos.


• Representación del átomo de acuerdo con los modelos de Thomson, Rutherford, Bohr y Schrödinger. • Evidencias experimentales que justifican cada uno de estos modelos o que obligan a su reformulación. • Principios físicos que sustentan cada uno de los modelos atómicos. • Los números cuánticos y su significado en la definición del nivel energético en que se encuentra un electrón en un átomo. • El significado de la configuración electrónica de un átomo y los principios en que se basa. • El sistema periódico de los elementos como resultado de la configuración electrónica. • Propiedades periódicas de los elementos; relación entre su valor y la configuración electrónica de sus átomos.

Procedimientos, • Utilizar con soltura el método científico (elaborar teorías que justifiquen hechos experimentales, imaginar experiencias destrezas que las pongan a prueba y analizar los resultados de forma crítica). y habilidades • Adquirir destreza en la elaboración de la configuración electrónica de un elemento. • Tener habilidad para relacionar la configuración electrónica de un elemento con su posición en el sistema periódico, y viceversa. • Interpretar el significado de un conjunto de números cuánticos y analizar su viabilidad.

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• Desarrollar una metodología adecuada para asignar valores de una serie de propiedades periódicas a un conjunto de elementos.

Actitudes

• Valorar la importancia del método científico para el avance de la ciencia. • Reconocer el trabajo científico como un proceso en permanente construcción y revisión. • Comprender la necesidad de unos sólidos conocimientos para ser capaz de proporcionar soluciones e interpretaciones imaginativas a los problemas que se plantean. • Asumir la importancia de la física y la química para conocer y predecir las características de la materia que nos rodea.

EDUCACIÓN EN VALORES 1. Educación cívica En esta unidad se pone de manifiesto el trabajo que científicos de distintos países han llevado a cabo para resolver uno de los problemas de mayor calado en la ciencia: el conocimiento de los átomos, verdaderos ladrillos de la materia que nos forma y nos rodea. Esto ha sido posible gracias a las reglas de juego del propio método científico que se basa en la racionalidad, fuera de cualquier tipo de dogmatismo y permiten colaboraciones que trascienden los límites geográficos. Es muy importante que el alumnado reflexione sobre este hecho en oposición a planteamientos dogmáticos que con frecuencia están asociados a dificultades para intercambiar opiniones y razonamientos con personas de otros lugares e ideologías. La historia proporciona diversos ejemplos de sus consecuencias.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN 1. Elaborar un esquema del átomo según el modelo de Thomson, de Rutherford, de Bohr y de Schrödinger. 2. Identificar, de forma cualitativa, los principios físicos que sustentan cada uno de los modelos atómicos. 3. Obtener la configuración electrónica de un elemento poniendo de manifiesto los principios en los que se basa. 4. Interpretar cada uno de los números cuánticos que definen el estado de un electrón en un átomo. 5. Identificar la posición de un elemento en el sistema periódico a partir de la configuración electrónica de su nivel de valencia, y viceversa. 6. Definir las propiedades periódicas y predecir su valor en los distintos elementos del sistema periódico. 7. Asignar (u ordenar) de forma razonada el valor de una propiedad periódica a un conjunto concreto de elementos químicos.

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4 Los átomos 1.

Explica, teniendo en cuenta el modelo atómico de Thomson, que cuando se frotan, unos cuerpos adquieren electricidad positiva, y otros, negativa. ¿Por qué se atraen cuerpos que tienen distinto tipo de electricidad y se repelen los que la tienen del mismo tipo? De acuerdo con el modelo de Thomson, los átomos están formados por una masa de carga positiva en la que están insertas pequeñas partículas de carga negativa: los electrones. Los átomos son neutros: su carga positiva coincide con el número de electrones. Al frotar un cuerpo se puede producir un movimiento de electrones. Unos cuerpos ganan electrones por frotamiento y, por tanto, se cargan negativamente. Otros cuerpos pierden electrones por frotamiento y, por tanto, se cargan negativamente. Cuando se aproximan cuerpos con carga de distinto signo, se atraen, porque los electrones tratan de redistribuirse para recuperar la neutralidad inicial de la materia. Por este mismo motivo, cuando se aproximan cuerpos con carga el mismo signo, se repelen, ya que no tienen forma de recuperar la neutralidad interna entre ellos.

2.

En algunos libros se denomina al modelo atómico de Thomson como el del «pudin de pasas». ¿Por qué crees que se le llama así? El puding es un pastel con masa similar a la del bizcocho que tiene pasas en su interior. Recuerda a los átomos de Thomson, formados por una masa de carga positiva en la que había pequeñas partículas de carga negativa (los electrones).

3.

La masa atómica del elemento potasio es 39,10 u. Existen tres isótopos de este elemento: uno de masa 38,96 u, otro, 39,96 u, y el tercero, 40,96 u. El de masa 39,96 u es tan escaso que lo podemos considerar despreciable. ¿Cuál es la abundancia de cada uno de los otros isótopos? Suponiendo que la abundancia del isótopo de masa 38,96 es x, la del de masa 40,96 es (100 − x), ya que la abundancia del de masa 39,96 es despreciable: masa atómica media = er

masa 1 isótopo ⋅ porcentaje + masa 2º isótopo ⋅ porcentaje → 100 38, 96 ⋅ x + 40, 96 ⋅ (100 − x ) → → 39,10 = 100 39,10 ⋅ 100 = 38, 96 ⋅ x + 40, 96 ⋅ (100 − x ) = = 38, 96 ⋅ x + 4096 − 40, 96 ⋅ x → 186 = 93 → −38, 96 ⋅ x + 40, 96 ⋅ x = 4096 − 3910 → x = 2 • Abundancia del isótopo de masa 38,96: 93 %. • Abundancia del isótopo de masa 40,96: 100 − 93 = 7 %.

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SOLUCIONARIO

4.

Indica cuántos protones, neutrones y electrones tienen las siguientes partículas. Identifica cuáles son isótopos del mismo elemento y cuáles son iones de alguno de los átomos presentes: a) b) c)

16 8

B C 2+ 17 8D 16 8

d) 167 E 1− e) 169 F 2− f) 167 G 16 8

16 8

B

C 2+

17 8

D

16 7

E−

16 9

F 2−

16 7

G

Protones

8

8

8

7

9

7

Neutrones

8

8

9

9

7

9

Electrones

8

6

8

8

11

7

Son isótopos del mismo elemento: 168 B, 178 D Son iones de alguno de los átomos presentes: es catión del • 68 C 2+, es catión del 168 B, • 6167 E −, es anión del 167 G, 5.

Calcula los radios de las cinco primeras órbitas para el átomo de hidrógeno. Dato: a = 0,529 Å (1 Å = 10−10 m). De acuerdo con el modelo atómico de Bohr, el radio de la órbita es r = a · n2. N.º órbita

6.

Radio (m)

1

0,529 · 10−10

2

2,116 · 10-10

3

4,761 · 10-10

4

8,464 · 10-10

5

13,225 · 10-10

Explica por qué en un átomo puede haber 5 orbitales 5d y 7 orbitales 6f. Los orbitales d tienen de número cuántico l = 2. Cuando l = 2, el número cuántico magnético puede tener los valores: −2, −1, 0, +1, +2, lo que indica que hay 5 orbitales de tipo d. El número cuántico l puede valer 2 cuando el número cuántico n ≥ 3. Existen 5 orbitales d a partir del nivel 3. Por tanto, en el nivel 5 existen 5 orbitales d. Los orbitales f tienen de número cuántico l = 3. Cuando l = 3, el número cuántico magnético puede tener los valores: −3, −2, −1, 0, +1, +2 +3, lo que indica que hay 7 orbitales de tipo f. El número cuántico l puede valer 3 cuando el número cuántico n ≥ 4. Existen 7

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4 Los átomos orbitales f a partir del nivel 4. Por tanto, en el nivel 6 existen 7 orbitales f. 7.

Indica si son posibles los siguientes conjuntos de números cuánticos y, si no lo son, haz las correcciones necesarias para que sean posibles (n, l, m, s): • (3, 0, 0, +1/2) • (4, 2, 2, 1/2) • (2, 1, 1, −1/2)

• (7, 2, 3, −1/2) • (0, 1, 0, 1/2) • (3, 0, 0, −1/2)

Los valores posibles de los números cuánticos vienen determinados por las reglas que se especifican en la página 87: • (3, 0, 0, +1/2): es posible. • (4, 2, 2, 1/2): es posible. • (2, 1, 1, −1/2): es posible. • (7, 2, 3, −1/2): no es posible, ya que si l = 2, m solo puede adoptar los valores: 2, 1, 0, −1, −2. • (0, 1, 0, 1/2): no es posible ya que el número cuántico n no puede valer 0. • (3, 0, 0, −1/2): es posible. 8.

Identifica el orbital en el que se encuentra cada uno de los electrones definidos por los números cuánticos del ejercicio anterior. • (3, 0, 0, +1/2): orbital 3s. • (4, 2, 2, 1/2): orbital 4d. • (2, 1, 1, −1/2): orbital 2p. • (3, 0, 0, −1/2): orbital 3s.

9.

Explica cuántos electrones puede haber en todos los orbitales del nivel n = 3. n

Radio

Radio

Radio

0

0

1

1

–1, 0, +1

3

2

–2, –1, 0, +1, +2

5

3

Número total de orbitales

8

En cada orbital puede haber hasta 2 electrones. En total, en el nivel n = 3 puede haber 18 electrones 10.

Escribe la configuración electrónica de los siguientes elementos: a) Ca

b) Sn

c) Cs

d) N

e) I

f) Ba

g) Al

a) Ca (Z = 20): 1s 2s 2p 3s 3p 4s b) Sn (Z = 50): 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p2 2

98

2

6

2

6

2

h) Xe

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SOLUCIONARIO

c) d) e) f) g) h) 11.

Cs (Z = 55): 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s1 N (Z = 7): 1s22s22p3 I (Z = 53): 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p5 Ba (Z = 56): 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s2 Al (Z = 13): 1s22s22p63s23p1 Xe (Z = 54): 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p6

Estudia si las siguientes configuraciones electrónicas corresponden a un átomo en estado fundamental, prohibido o excitado: a) 1s22s22p64s1 b) 1s22s22p5

c) 1s22s22p73s2 d) 1s22s12p63s1

a) Corresponde a un átomo en estado excitado, ya que el electrón que se encuentra en el orbital 4s no está en el orbital de menor energía posible (sería el 3s). b) Corresponde a un átomo en estado fundamental. Todos los electrones se encuentran en el orbital de menor energía posible y en cada orbital hay, como máximo, 2 electrones (consecuencia del principio de exclusión). c) Corresponde a un átomo en estado prohibido. Es imposible que haya 7 electrones en los tres orbitales 2p. Si así fuese, en uno de los orbitales habría 3 electrones, lo que indicaría que dos de ellos tendrían los 4 números cuánticos iguales. Esto va en contra del principio de exclusión. d) Corresponde a un átomo en estado excitado. Uno de los electrones que deberían estar en el orbital 2s ha pasado al orbital 3s, de mayor energía. 12.

Las siguientes configuraciones electrónicas pertenecen a átomos que no se encuentran en estado fundamental. Explica por qué y escribe la configuración correspondiente al átomo en el estado de menor energía posible: a) 1s22p3 b) 3s2

c) 1s22s22p63s23d2 d) 1s22s12p6

a) Hay electrones en orbitales 3p y está vacío el orbital 2s, de menor energía. b) Si el átomo solo tiene dos electrones, deben estar en el orbital 1s, y no en el 3s, que tiene más energía. c) De acuerdo con el diagrama de Moeller, el orbital 3d tiene más energía que el 3p y el 4s. d) El orbital 2s tiene menos energía que los orbitales 2p. Por tanto, antes de que los electrones se sitúen en los orbitales 2p, debe llenarse el orbital 2s con 2 electrones.

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4 Los átomos 13.

Escribe la configuración electrónica del germanio e indica los números cuánticos que definen sus electrones del último nivel. Ge (Z = 32): 1s22s22p63s23p64s23d104p2 El último nivel del Ge es el 4. En él tiene 2 electrones en el orbital 4s y los otros 2, en orbitales 4p (uno en cada uno y desapareados). Los conjuntos de números cuánticos que definen estos electrones son: (4, 0, 0 +1/2); (4, 0, 0 −1/2); (4, 1, 1 +1/2); (4, 1, 0 +1/2) Nota: los dos últimos electrones deben tener el mismo espín (podría ser −1/2) y deben estar en distintos orbitales p (el número cuántico magnético debe ser distinto).

14.

Escribe la configuración electrónica del calcio y di cuántos electrones hay en este átomo que tengan el número cuántico l = 1 y cuántos el l = 2. Ca (Z = 20): 1s22s22p63s23p64s2 Número cuántico l = 1 indica orbitales de tipo p. El Ca tiene 12 electrones de este tipo (2p6 3p6). Número cuántico l = 2 indica orbitales de tipo d. El Ca no tiene electrones de este tipo.

15.

Escribe la configuración electrónica del calcio y di cuántos electrones hay en este átomo que tengan el número cuántico m = 1. Ca (Z = 20): 1s22s22p63s23p64s2 El número cuántico m = 1 es compatible con valores de l ≥ 1. En el caso del Ca solo son los orbitales de tipo p. En cada nivel, uno de los orbitales p tendrá m = 1, por lo que el Ca tiene 4 electrones con m = 1 (2p2 3p2).

16.

¿Qué quiere decir que un átomo se encuentra en un estado excitado? Que no todos sus electrones se encuentran en el orbital de menor energía posible; alguno ha pasado a un orbital de mayor energía, y se dice que está excitado.

17.

Escribe la configuración electrónica del cloro, predice su valencia y escribe la configuración electrónica del ion cloro. Cl (Z = 17): 1s22s22p63s23p5 Valencia = −1, ya que si capta un electrón alcanza la configuración del gas noble Ar: Cl−: 1s22s22p63s23p6

18.

Un ion tiene carga −3 y la configuración electrónica del Ne. ¿De qué ion se trata? Del N3−, ya que su número atómico es tres unidades menos que el del Ne y, cuando capta 3 electrones, adquiere carga −3 y la configuración del Ne.

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SOLUCIONARIO

19.

Observando su colocación en la tabla periódica, especifica la configuración del nivel de valencia de: a) Ar b) Ga

c) Sn d) Ba

Ar

Ga

Sn

Ba

Fe

Br

Grupo

18

13

14

2

8

17

Período

3

4

5

6

4

4

6s2

4s23d6

4s23d104p5

Configuración nivel de valencia

20.

e) Fe f) Br

3s23p6

En qué grupo y en qué periodo estarán los elementos cuya configuración del nivel de valencia es: a) 5s2 c) 3s23p2 2 5 b) 4s 3d d) 4s24p6

e) 5s24d9 f) 4s1 5s2

4s23d5

3s23p2

4s24p6

5s24d9

4s1

Grupo

2

7

14

18

11

1

Período

5

4

3

4

5

4


21.

4s23d104p1 5s24d105p2

¿Por qué disminuye el tamaño de los átomos de un periodo a medida que aumenta su número atómico si todos tienen los electrones de valencia en el mismo nivel?

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4 Los átomos A medida que aumenta el número atómico, aumenta la carga nuclear, y con ella, la atracción que sufren los electrones del nivel de valencia. 22.

Ordena según su tamaño los siguientes átomos: a) Si b) Ca c) F

d) O e) Rb f) I El tamaño atómico es una propiedad periódica. Para estudiarla en unos elementos hay que conocer su número atómico y su configuración de valencia:

Z Configuración nivel de valencia

Si

Ca

F

O

Rb

I

14

20

9

8

37

53

3s23p2

4s2

2s22p5

2s22p4

5s1 5s25p5

Los elementos de más tamaño son los que tienen el nivel de valencia más alto, porque tienen los electrones de valencia más alejados del núcleo. Dentro del mismo periodo, tendrán menor tamaño los que tengan mayor número atómico, ya que su carga nuclear será mayor y atraerán con más fuerza a los electrones de valencia. El orden para estos elementos es: Rb > I > Ca > Si > O > F Nota: de acuerdo con el valor real de esta propiedad el orden sería: Rb > Ca > I > Si > O > F. Se escapa del nivel de conocimientos de este curso profundizar en la justificación de la secuencia exacta. Se mantiene un razonamiento coherente como lo estudiado en la unidad. 23.

¿Por qué disminuye la energía de ionización de los átomos de un grupo a medida que aumenta su número atómico? A medida que aumenta el número atómico, los átomos de los elementos de un mismo grupo tienen sus electrones de valencia en niveles más alejados del núcleo. Esto hace que disminuya la atracción que ejerce sobre ellos y que sea más fácil arrancarlos, lo que supone una menor energía de ionización.

24.

Ordena los siguientes elementos en orden creciente de su primera energía de ionización: a) Si b) Ca c) F

d) O e) Rb f) Sr La energía de ionización es una propiedad periódica. Para estudiarla en unos elementos hay que conocer su número atómico y su configuración de valencia:

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SOLUCIONARIO

Si

Z

Ca

14


F

20

2

3s 3p

2

O

9

2

4s

8

2

2s 2p

5

2

2s 2p

4

Rb

Sr

37

38

1

5s2

5s

Los elementos de menor energía de ionización son aquellos a los que resulta más fácil arrancar los electrones de valencia. Dentro de un grupo, esto sucede cuanto mayor es el número atómico, ya que esos electrones están cada vez más alejados del núcleo. Dentro de un periodo, sucede cuanto menor es el número atómico, porque ejercerá menor atracción sobre los electrones de valencia. El orden para estos elementos es: Rb < Sr < Ca < Si < O < F 25.

Ordena los siguientes elementos en orden creciente de su afinidad electrónica: a) Cl c) F e) C

b) Si d) P f) Al La afinidad electrónica es una propiedad periódica. Para estudiarla en unos elementos hay que conocer su número atómico y su configuración de valencia: Cl

Z

Si

17


2

F

14 5

2

P

9 2

2

3s 3p 3s 3p 2s 2p

C

15 5

2

3s 3p

Al

6 3

2

13 2

2s 2p 3s23p1

Los elementos de mayor afinidad electrónica son los que desprenden más energía cuando captan un electrón; estos son los elementos que se aproximan más a la configuración de gas noble al captarlo, es decir, los elementos del grupo 17. Dentro de él, el Cl tiene mayor afinidad electrónica que el F, porque el menor tamaño de este hace que cobren importancia las repulsiones interelectrónicas del nivel de valencia. El orden para estos elementos es: Cl > F > C > P > Si > Al Nota: de acuerdo con el valor real de esta propiedad el orden sería: Cl > F > Si > C > P > Al. Se escapa del nivel de conocimientos de este curso profundizar en la justificación de la secuencia exacta. 26.

Explica por qué los elementos con elevada energía de ionización tienen alta electronegatividad, y viceversa. Los elementos que tienen alta electronegatividad son aquellos que ejercen una gran atracción sobre los electrones de enlace. Esto determina que son elementos con mucha facilidad para captar

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4 Los átomos electrones y mucha dificultad para perderlos, lo que indica que tienen elevada energía de ionización. 27.

Ordena los siguientes elementos en orden creciente de su electronegatividad: a) Si

b) Ca

c) F

d) O

e) Rb

La electronegatividad es una propiedad periódica. Para estudiarla en unos elementos hay que conocer su número atómico y su configuración de valencia: Si

Z

Ca

14


F

20

2

3s 3p

2

O

9

2

2

4s

2s 2p

Rb

8 5

2

37

2s 2p

4

5s1

Los elementos más electronegativos son los que tienen mayor energía de ionización y mayor afinidad electrónica, por tanto, son los que están en la parte superior y derecha de la tabla periódica, y viceversa. El orden para estos elementos es: F > O > Si > Ca > Rb 28.

Ordena los siguientes elementos en orden creciente de su carácter metálico: a) Si c) F e) Rb b) Ca d) O f) Ga Justifica el orden que has elegido a partir de su configuración electrónica. El carácter metálico de un elemento tiene que ver con su capacidad para formar iones positivos y esto depende de su electronegatividad. Los elementos serán tanto más metálicos cuando menos electronegativos. Para estudiarlo en unos elementos hay que conocer su número atómico y su configuración de valencia:

Z

Si

Ca

14

20

Configuración nivel de valencia 3s23p2

2

4s

F

O

9 2

2s 2p

Rb

8 5

2

2s 2p

Ga

37 4

1

5s

31 2

4s 3d104p1

El orden para estos elementos es: F < O < Si < Ga < Ca < Rb 29.

Teniendo en cuenta que los metales conducen la electricidad y los no metales, no, explica: a) ¿Por qué el carbono, en su forma diamante, es aislante? b) ¿Por qué el silicio y el germanio se utilizan en la industria electrónica como semiconductores?

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SOLUCIONARIO

c) ¿Por qué el estaño y el plomo son materiales conductores de la electricidad? Todos estos elementos pertenecen al grupo 14. Dentro de un grupo, el carácter metálico aumenta a medida que aumenta el número atómico, porque disminuye la energía de ionización y la afinidad electrónica. El grupo 14 está en una posición intermedia de la tabla periódica, de ahí que los primeros elementos del mismo tengan carácter no metálico (el C) y los últimos, (Sn, Pb), metálico. Con respecto a su comportamiento eléctrico, los metales permiten el movimiento de los electrones y los no metales no, por eso son aislantes. Los elementos semimetálicos serán semiconductores, es decir, dependiendo de las circunstancia se puede lograr que conduzcan la electricidad o que no lo hagan. 30.

Al provocar una descarga en un tubo de vacío aparece un haz luminoso entre el cátodo y el ánodo. ¿Cómo podríamos saber si se trata de rayos catódicos o de rayos canales? Sometiéndolo a la acción de un campo eléctrico perpendicular al tubo. Si el rayo se desvía hacia la placa positiva, está formado por partículas con carga negativa y es un rayo catódico (procede del cátodo). En caso contrario, serán rayos canales.

31.

Contesta: a) ¿Qué significa el hecho de que en todas las experiencias realizadas en tubos de rayos catódicos se detectase la misma partícula, cualquiera que fuese el gas que había en su interior? b) ¿Qué significa que en las experiencias hechas en tubos de rayos canales se detectase una partícula diferente, dependiendo del gas que hubiese en el interior del tubo? a) Que esa partícula está presente en todos los átomos, cualquiera que sea el elemento químico que se estudie. b) Que lo que queda en un átomo, después de que haya perdido algunos electrones, depende del elemento de que se trate.

32.

Explica por qué la experiencia de la lámina de oro es una prueba de que el átomo tiene un núcleo muy pequeño y una «corteza» muy grande. El hecho que de una porción muy pequeña de las partículas α reboten al chocar con la lámina de oro indica que en la lámina hay algunos puntos donde la carga positiva está muy concentrada; serán los núcleos de los átomos. El que la mayor parte de las partículas atraviesen la lámina sin desviarse quiere decir que la mayor parte atraviesan el átomo por zonas donde no hay cargas; la corteza del átomo donde están los electrones girando y que es mucho mayor que el núcleo.

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4 Los átomos 33.

Rutherford supuso que los átomos tienen un núcleo con carga positiva y una corteza con electrones, que tienen carga negativa. ¿Cómo es posible que los electrones se mantengan alrededor del núcleo y no sean atraídos por el núcleo como sucede siempre que tenemos cuerpos con electricidad de distinto tipo? Porque están girando alrededor del núcleo. Su velocidad de giro hace que la fuerza centrífuga compense la atracción gravitatoria.

34.

Un átomo tiene un radio de unos 10−10 m. ¿Cuántos átomos se pueden colocar, uno detrás de otro, para cubrir una longitud de un centímetro? El número de átomos es: 10−2 m ⋅

35.

1 átomo = 5 ⋅ 107 átomos 2 ⋅ 10 m de diámetro −10

A continuación se muestran algunas características de una serie de especies químicas. Completa la tabla y responde: Elemento

Z

A

B

11

C

11

D

5

E

11

F

5

N.º de neutrones

N.º de electrones

Carga

5

0

5

6

6

−2

6

0

20

8

+3

a) ¿Cuáles pertenecen al mismo elemento químico? b) ¿Cuáles son isótopos? ¿Cuáles son aniones? c) ¿Cuáles representan especies imposibles? Z

A

N.º de neutrones

N.º de electrones

Carga

B

5

11

6

5

0

C

6

11

5

6

0

D

5

11

6

7

−2

E

11

5

6

F

11

20

9

Elemento

0 8

+3

a) Pertenecen al mismo elemento químico: B y D porque tienen el mismo Z. b) No hay isótopos porque los que tienen el mismo Z tienen el mismo A. D es un anión de B. c) E representa una especie imposible porque A = Z + n.º de neutrones.

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SOLUCIONARIO

36.

El elemento boro está compuesto por dos isótopos: uno denominado que tiene de masa 10,013 u y está presente en un 19,6 %, y otro, denominado 11B, que tiene de masa 11,009 u y está presente en un 80,4 %. ¿Cuál es la masa atómica del elemento boro?

10

B,

En este caso: masa atómica media = er

masa 1 isótopo ⋅ porcentaje + masa 2º isótopo ⋅ porcentaje → 100 10, 013 ⋅ 19,6 + 11, 009 ⋅ 80, 4 = 10, 81 → masa atómica media del boro = 100 37.

Explica la frase siguiente: «Si la energía no estuviese cuantizada, una radiación de energía 4 e intensidad 10 produciría el mismo efecto que otra de energía 8 e intensidad 6». La energía de una radiación depende de la energía de sus fotones. Si no estuviese cuantizada, la energía de los fotones se podría acumular y 4 fotones de energía 10 (en total 14) producirían la misma energía que 6 fotones de energía 8 (en total, 14).

38.

Explica la frase siguiente: «La energía mínima que debe tener la luz con la que se ilumina el cátodo para que se produzca un efecto fotoeléctrico es distinta si el cátodo es de hierro que si es de aluminio». Esta energía depende de la atracción que el núcleo ejerza sobre el electrón periférico que se pretende arrancar, la cual está determinada por la carga nuclear, que es específica de cada elemento químico.

39.

Explica si son ciertas o no las siguientes afirmaciones: a) Un electrón que se encuentra en una órbita de n = 2 está al doble de distancia del núcleo que uno que se encuentra en una órbita de n = 1. b) Un electrón que se encuentra en una órbita de n = 2 tiene la mitad de energía que uno que se encuentra en una órbita de n = 1. c) Para que un electrón de un átomo pase de la órbita de n = 2 a la de n = 3 necesita absorber la misma cantidad de energía que para pasar de la órbita de n = 4 a la de n = 5. a) Falso. Según Bohr, el radio de la órbita depende de n2 (r = a · n2). Por tanto, el electrón que está en la órbita 2 se encuentra a una distancia del núcleo que es cuatro veces la que separa el electrón que está en la órbita 1. b) Falso. Según Bohr, la energía de un electrón depende de 1/n2 (E = −b/n2). Por tanto, el electrón que está en la órbita 2 tiene una energía que es la cuarta parte de la que tiene el electrón que está en la órbita 1.

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4 Los átomos c) Falso, porque teniendo en cuenta la fórmula que permite calcular la energía de un electrón en una órbita: E5 − E4 = −

⎛ b ⎞ b b b 9b − ⎜⎜− 2 ⎟⎟⎟ = − = 2 ⎜ ⎟ ⎝ 4 ⎠ 5 16 25 400

E3 − E2 = − 40.

⎛ b ⎞ b b b 5b − ⎜⎜− 2 ⎟⎟⎟ = − = 2 ⎜⎝ 2 ⎟⎠ 3 4 9 36

Apóyate en el modelo atómico de Bohr para explicar que el espectro de emisión de un elemento es complementario de su espectro de absorción. El espectro de absorción está constituido por todas las radiaciones que absorben los electrones de un átomo cuando pasan de un nivel de energía a otro superior. Para obtenerlo se ilumina la muestra con luz continua y se recogen las radiaciones después de pasar por la muestra; en ella faltarán las que han absorbido los átomos del elemento en cuestión y se verán rayas negras en un fondo de color. El espectro de emisión está constituido por las radiaciones que emiten los electrones de un átomo que ha sido excitado cuando vuelven a niveles de menor energía hasta que llegan al nivel fundamental. Este espectro está formado por líneas de color, cada una correspondiente a un tránsito. El espectro de absorción es el complementario del de emisión porque, para que un electrón de un átomo concreto pase de un nivel 1 a otro nivel 2, necesita absorber la misma energía (E2 − E1) que la que emite cuando pasa del nivel 2 al 1 (E1 – E2).

41.

Se ha excitado una muestra de hidrógeno de forma que en todos los átomos el electrón ha pasado hasta el nivel de n = 4. Estudia, ayudándote de un esquema, cuántas rayas tendrá su espectro de emisión. Respuesta:

n=4 n=3 n=2 n=1 En el espectro de emisión se detectarán 5 rayas. 42.

Explica si en un átomo pueden existir los niveles de energía: a) 2d b) 7s

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c) 3p d) 3f

e) 1p f) 5f

g) 5d h) 4d

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SOLUCIONARIO

a) Los orbitales d implican que l = 2. El valor máximo que puede admitir el número cuántico l es (n − 1). Si n = 2, l solo puede adoptar los valores 0 y 1; en consecuencia, no pueden existir orbitales d en el nivel 2. b) Los orbitales s implican que l = 0. En todos los niveles de energía existen orbitales s; por tanto, el orbital 7s sí existe. c) Los orbitales p implican que l = 1. Existen orbitales p a partir del segundo nivel de energía, ya que si n = 2, l puede adoptar los valores 0 y 1. El orbital 3p sí que existe. d) Los orbitales f implican que l = 3. En el nivel n = 3, l solo puede adoptar los valores 0, 1 y 2; por tanto, no puede existir el orbital 3f. e) El orbital 1p no existe. Si n = 1, l solo puede adoptar el valor 0, que es compatible con los orbitales de tipo s. f) Los orbitales f implican que l = 3. En el nivel n = 5, l puede adoptar los valores 0, 1, 2, 3 y 4; por tanto, sí puede existir el orbital 5f. g) Los orbitales d implican que l = 2. El valor máximo que puede admitir el número cuántico l es (n − 1). Si n = 5, l puede adoptar los valores 0, 1, 2, 3 y 4; en consecuencia, sí pueden existir orbitales d en el nivel 5. h) Como se justificó en el apartado g), sí pueden existir orbitales d. 43.

Explica la diferencia entre órbita y orbital. Orbita es un concepto del modelo atómico de Bohr. Se refiere a la línea que describe el electrón en su movimiento alrededor del núcleo. Orbital es un concepto del modelo mecanocuántico del átomo. Se refiere a la región del espacio en la que hay una probabilidad superior al 90 % de encontrar a un electrón.

44.

Relaciona las siguientes frases con el modelo o los modelos atómicos a que corresponden: ➋• ➎• ➍• ➍• ➎• ❶• ➍• ➎• ➍• ➌• ➍• ➍• ➎•

Masa de carga positiva Electrón con movimiento ondulatorio Explica el espectro del átomo de hidrógeno Número cuántico n Electrones en orbitales Partícula indivisible Número cuántico m Explica todos los espectros atómicos Cuantización de la energía Electrones girando en torno a un núcleo Nivel de energía Electrones describiendo órbitas Probabilidad de encontrar al electrón

❶• Modelo de Dalton ➋• Modelo de Thomson ➌• Modelo de Rutherford ➍• Modelo de Bohr ➎• Modelo mecanocuántico

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4 Los átomos 45.

Completa el cuadro siguiente para cada uno de los modelos atómicos estudiados en este tema: Modelo

Esquema

Hechos que explica

Hechos que no explica

Dalton Thomson Rutherford Bohr Srödinger

Modelo

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Esquema

Hechos que explica

Hechos que no explica

Dalton

• Las leyes ponderales.

• Electrización de la materia. • Fenómenos en tubos de descarga.

Thomson

• Electrización de la materia. • Fenómenos en tubos de descarga.

• Experiencia de la lámina de oro.

Rutherford

• Experiencia de la lámina de oro.

• Que los electrones no acaben cayendo sobre el núcleo • Los espectros atómicos

Bohr

• Efecto fotoeléctrico. • Que los electrones no acaben cayendo sobre el núcleo. • Espectro del átomo de H. • Complementariedad del espectro de absorción y de emisión. • El espectro es característico de cada elemento.

• El espectro de los átomos polielectrónicos. • La configuración electrónica de los átomos.

Srödinger

• El espectro de los átomos polielectrónicos. • Los cuatro números cuánticos. • La configuración electrónica de los átomos.

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SOLUCIONARIO

46.

Explica por qué en un átomo no hay 5 orbitales 2d ni 7 orbitales 3f. • Los orbitales d implican que l = 2. El valor máximo que puede admitir el número cuántico l es (n − 1). Si n = 2, l solo puede adoptar los valores 0 y 1; en consecuencia, no pueden existir orbitales d en el nivel 2. • Si en un nivel de energía hubiese orbitales d, habría 5 orbitales d, debido a que existen 5 valores distintos del número cuántico magnético compatibles con el valor de l = 2: los valores de m serían: −2, −1, 0, +1, +2. • Los orbitales f implican que l = 3. En el nivel n = 3, l solo puede adoptar los valores 0, 1 y 2; por tanto, no puede existir el orbital 3f. • Si en un nivel de energía hubiese orbitales f, habría 7 orbitales f, debido a que existen 7 valores distintos del número cuántico magnético compatibles con el valor de l = 3: los valores de m serían: −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3.

47.

Indica si son posibles los siguientes conjuntos de números cuánticos y, si no lo son, haz las correcciones necesarias para que sean posibles: a) (2, 1, 0, +1/2)

d) (6, 4, 5, −1/2)

b) (3, 3, 0, −1/2)

e) (1, 1, 0, 1/2)

c) (4, 0, 0, −1/2)

f) (5, 2, 2, 1/2)

Los conjuntos de números cuánticos representan los valores (n, l, m y s). El valor de cada número cuántico depende del anterior, tal y como se explica en el cuadro de la página 87. El cuarto número cuántico sólo puede adoptar los valores +1/2 y −1/2. a) (2, 1, 0, +1/2): sí es posible porque cumple las condiciones que se indican en el cuadro de la página 87. b) (3, 3, 0, −1/2): no es posible. Si el número cuántico n = 3, l solo puede adoptar los valores 0, 1 o 2. En este conjunto se indica que l = 3. c) (4, 0, 0, −1/2): sí es posible porque cumple las condiciones que se indican en el cuadro de la página 87. d) (6, 4, 5, −1/2): no es posible. Si el número cuántico l = 4, m solo puede adoptar los valores entre –l (−4) y +l (+4). En este conjunto se indica que m = 5. e) (1, 1, 0, 1/2): no es posible. Si el número cuántico n = 1, l solo puede adoptar el valor 0. En este conjunto se indica que l = 1. f) (5, 2, 2, 1/2): sí es posible porque cumple las condiciones que se indican en el cuadro de la página 87.

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4 Los átomos 48.

Identifica el orbital en el que se encuentra cada uno de los electrones definidos por los números cuánticos del ejercicio anterior. El primer número cuántico (n) indica el nivel de energía y el segundo (l ), el tipo de orbital: Valor de I

0

1

2

3

Tipo de orbital

8

8

9

9

a) (2, 1, 0, +1/2): el electrón está en un orbital 2p. c) (4, 0, 0, −1/2): el electrón está en un orbital 4s. f) (5, 2, 2, 1/2): el electrón está en un orbital 5d. 49.

¿Qué números cuánticos puedes aplicar, sin ninguna duda, a los siguientes orbitales? a) 3d b) 7f

c) 4s d) 2p Los conjuntos de números cuánticos representan los valores (n, l, m y s). El valor de cada número cuántico depende del anterior, tal y como se explica en el cuadro de la página 87. El cuarto número cuántico sólo puede adoptar los valores +1/2 y −1/2. a) 3d, n = 3 y l = 2. m puede tener uno de los 5 valores posibles y s puede tener uno de los dos posibles. b) 7f, n = 7 y l = 3. m puede tener uno de los 7 valores posibles y s puede tener uno de los dos posibles. c) 4s, n = 4, l = 0, m = 0. s puede tener uno de los dos valores posibles. d) 2p n = 2 y l = 1. m puede tener uno de los 3 valores posibles y s puede tener uno de los dos posibles.

50.

Explica cuántos electrones puede haber en todos los orbitales del nivel 2. ¿Y en los del nivel 4? Teniendo en cuenta los posibles valores de los distintos números cuánticos, determinamos cuantos orbitales puede haber en cada nivel. En cada orbital puede haber dos electrones con distinto número cuántico de espín: n 2

112

Valores de l

Valores de m

Número de orbitales

0

0

1

1

−1, 0, +1

3


4

Número total de electrones

8

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SOLUCIONARIO

n

4

51.

Valores de l

Valores de m

Número de orbitales

0

0

1

1

−1, 0, +1

3

2

−2, −1, 0, +1, +2

5

3

−3, −2, −1, 0, +1, +2, +3

7


16

Número total de electrones

32

¿Qué significa que no podemos tener una probabilidad del 100 % de que el electrón esté en un determinado punto del átomo? Que no sabemos con certeza donde se encuentra un electrón. Hay una incertidumbre en la determinación de la posición del electrón.

52.

Escribe la configuración electrónica de: a) Ar

b) Fe c) Sm En cada caso hay que localizar el número atómico del elemento y seguir las reglas que se especifican en la página 90: a) Ar (Z = 18): 1s22s22p63s23p6. b) Fe (Z = 26): 1s22s22p63s23p64s23d6. c) Sm (Z = 62): 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f6. Nota: La configuración electrónica del Sm se hace siguiendo el diagrama de Moeller. Si el profesorado lo considera oportuno, puede explicar que la configuración real es 6s25d14f5, tal y como se desprende de la tabla periódica que se muestra en la página 358.

53.

Estudia si las siguientes configuraciones electrónicas corresponden a un átomo en estado fundamental, prohibido o excitado: a) 1s22s22p54s2 b) 1s22s22p63s23p3 c) 1s22s22p63s23p64s23d144p6 a) 1s22s22p54s2: corresponde a un átomo en estado excitado ya que los dos últimos electrones no se encuentran en el nivel de menor energía posible, el cual sería: 1s22s22p63s1. b) 1s22s22p63s23p3: corresponde a un átomo en estado fundamental. Suponemos que los electrones que están en los tres orbitales 3p están desapareados. c) 1s22s22p63s23p64s23d144p6: corresponde a un átomo en estado prohibido, ya que en los cinco orbitales 3d solo entran hasta 10 electrones, y no 14 como aquí se indica.

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4 Los átomos 54.

Las siguientes configuraciones electrónicas pertenecen a átomos que no se encuentran en estado fundamental. Explica por qué y escribe la configuración correspondiente al átomo en el estado de menor energía posible: a) 1s22s22p63s23p64s23d104f14 b) 1s12s22p6 c) 1s22s22p33s2 a) 1s22s22p63s23p64s23d104f14; Siguiendo el orden de energía, después de los orbitales 3d no están los 4f. La configuración del átomo en estado fundamental será: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d6. b) 1s12s22p6; hay un hueco en el orbital 1s. La configuración del átomo en estado fundamental será: 1s2 2s2 2p5. c) 1s22s22p33s2; Los orbitales 2p están parcialmente ocupados y hay electrones en un nivel de energía superior. La configuración del átomo en estado fundamental será: 1s22s22p5.

55.

Escribe la configuración electrónica de la plata y anota los conjuntos de números cuánticos que definen sus electrones del último nivel. Localizamos el número atómico del elemento y seguimos las reglas que se especifican en la página 90: Ag (Z = 47): 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d9 Los electrones del último nivel se encuentran en el orbital 5s. Sus números cuánticos son: (5, 0, 0 +1/2), (5, 0, 0, −1/2) Nota: La configuración electrónica de la plata se hace siguiendo el diagrama de Moeller. Si el profesorado lo considera oportuno, puede explicar que la configuración real de este elemento es: 5s1 4d10.

56.

Escribe la configuración electrónica del silicio y determina cuántos electrones de este átomo tienen espín −1/2. Localizamos el número atómico del elemento y seguimos las reglas que se especifican en la página 90: Si (Z = 14): 1s22s22p63s23p13p1 En cada orbital solo 1 de los electrones puede tener espín −1/2. Como los electrones que se encuentran en los orbitales 3p deben tener el mismo espín, en el Si tendrán espín −1/2, 6 u 8 electrones.

57.

Escribe la configuración electrónica del bario y di cuántos electrones hay en este átomo que tengan número cuántico l = 1 y cuántos l = 2. Localizamos el número atómico del elemento y seguimos las reglas que se especifican en la página 90: Ba (Z = 56): 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s2

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SOLUCIONARIO

• l = 1 indica que es un orbital de tipo p. Hay 24 electrones en orbitales p. • l = 2 indica que es un orbital de tipo d. Hay 20 electrones en orbitales d. 58.

Escribe la configuración electrónica del bario y di cuántos electrones hay en este átomo que tengan número cuántico m = 1. Localizamos el número atómico del elemento y seguimos las reglas que se especifican en la página 90: Ba (Z = 56): 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s2

m = 1 indica que l ≥ 1. Para el bario, uno de los orbitales p de cada nivel y uno de los orbitales d, tiene m = 1. En total hay 12 electrones con m = 1, ya que todos los orbitales de este tipo tienen 2 electrones. 59.

Localiza en la tabla periódica actual los elementos que forman cada una de las tríadas de Dobëreiner. ¿En qué se parecen esas localizaciones? Grupo

2

16

17

Elemento

Calcio

Azufre

Cloro

Z

20

16

17

Elemento

Estroncio

Selenio

Bromo

Z

38

34

35

Elemento

Bario

Teluro

Yodo

Z

56

52

53

Los elementos de cada tríada ocupan posiciones seguidas en un mismo grupo de la tabla periódica actual. 60.

Localiza algunos elementos de la tabla periódica que no cumplen la regla de ordenación de Mendeleiev. Ar (masa = 39,9) y K (masa = 39,1); Co (masa = 58,9) y Ni (masa = 58,7); Te (masa = 127,6) y I (masa = 126,9); Hs (masa = 277) y Mt (masa = 268); Th (masa = 232) y Pa (masa = 231).

61.

Observando su colocación en la tabla periódica, especifica la configuración del nivel de valencia de: a) Kr b) Cs

c) Ag d) Ba

e) Cu f) Pb

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4 Los átomos Kr

Cs

Ag

Ba

Cu

Pb

Grupo

18

1

11

2

11

14

Período

4

6

Configuración nivel de valencia 4s24p6 6s1

62.

5s 4d

6 9

4 2

6s

2

6 9

2

14

4s 3d 6s 4f 5d106p2

En qué grupo y en qué periodo estarán los elementos cuya configuración del nivel de valencia es: a) 2s22p4 b) 6s2 4f145d5

c) 3s23p6 d) 7s1


63.

5 2

e) 1s2 f) 4s23d10 2s22p4 6s24f145d5 3s23p6 7s1

1s2

4s23d10

Grupo

12

7

18

1

18

12

Período

2

6

3

7

1

4

Escribe la configuración electrónica del estroncio, predice su valencia y anota la configuración electrónica del ion estroncio. Localizamos el número atómico del elemento y seguimos las reglas que se especifican en la página 90: Sr (Z = 38): 1s22s22p63s23p64s23d104p65s2 El Sr adquiere configuración de gas noble perdiendo los dos electrones del nivel de valencia, por tanto su valencia iónica es +2: Sr2+ (Z = 38): 1s22s22p63s23p64s23d104p6

64.

Un ion tiene carga +3 y la configuración electrónica del Ne. ¿De qué ion se trata? Es un elemento que tiene 3 protones más que el Ne. Se trata del aluminio.

65.

Explica por qué la mayoría de los elementos de transición tienen valencia +2. La configuración del nivel de valencia de estos elementos es ns2 (n − 1)dx. La mayoría se convierten en iones positivos perdiendo los dos electrones de su nivel de valencia; de ahí que actúen con valencia +2.

66.

El hidrógeno forma hidruros, unos compuestos en los que forma el ion H−, e hidrácidos, compuestos en los que forma el ion H+. ¿Cómo es posible? El H tiene solo 1 electrón. Se puede comportar como todos los átomos que tienen un electrón en su nivel de valencia, perderlo y convertirse en ión H1+. Si gana un electrón, el H adquiere la configuración que gas noble más próximo. El He, por tanto, puede comportarse como todos

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SOLUCIONARIO

los átomos a los que les falta un electrón para alcanzar la configuración de un gas noble y convertirse en un ion con valencia −1 (H−). 67.

¿Por qué aumenta el tamaño de los átomos de un grupo a medida que lo hace su número atómico, si todos tienen el mismo número de electrones en su nivel de valencia? Porque, a medida que aumenta el número atómico, el nivel de valencia se encuentra cada vez más alejado del núcleo.

68.

Ordena según su tamaño los siguientes átomos: a) H b) Sn

c) Be e) N d) Na f) O El tamaño atómico es una propiedad periódica. Para estudiarla en unos elementos hay que conocer su número atómico y su configuración de valencia: H

Z

Sn

1


Be

Na

4

11

50 1

1s

2

10

5s 4d 5p

2

2

2s

1

N

O

7 2

3s 2s 2p

8 3

2

2s 2p4

Los elementos de más tamaño son los que tienen el nivel de valencia más alto, porque tienen los electrones de valencia más alejados del núcleo. Dentro del mismo periodo, tendrán menor tamaño los que tengan mayor número atómico, ya que su carga nuclear será mayor y atraerán con más fuerza a los electrones de valencia. El orden para estos elementos es: Sn > Na > Be > N > O > H. Nota: de acuerdo con el valor real de esta propiedad el orden sería: Na > Sn > Be > N > O > H. Se escapa del nivel de conocimientos de este curso profundizar en la justificación de la secuencia exacta. Se mantiene un razonamiento coherente como lo estudiado en la unidad. 69.

Se llaman especies isoelectrónicas las que tienen el mismo número de electrones. Comprueba que las siguientes son especies isoelectrónicas y ordénalas según su tamaño: a) S2− b) Cl−

c) Ar d) K+

e) Ca2+ f) P3− S2−

Cl−

Ar

K+

Ca2+

P3−

Z

16

17

18

19

20

15

Número de electrones

18

18

18

18

18

18

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4 Los átomos Como todos tienen el mismo número de electrones, tendrán la misma configuración de valencia. El tamaño será menor cuanto mayor sea la carga nuclear, ya que eso hará que sea mayor la atracción del núcleo sobre los electrones de valencia. El orden para estas especies es: Ca2+ < K+ < Ar < Cl− < S2− < P3− 70.

¿Por qué aumenta la energía de ionización de los átomos de un periodo a medida que aumenta su número atómico si todos tienen los electrones de valencia en el mismo nivel? Todos los átomos de un mismo periodo tienen el mismo nivel de valencia. A medida que aumenta el número atómico, aumenta la carga nuclear, y con ello, la atracción que ejercen sobre esos electrones de valencia. Cuanto mayor es esa atracción, más difícil es arrancar los electrones de valencia y mayor es la energía de ionización.

71.

Ordena los siguientes elementos en orden creciente de su energía de ionización: a) H

b) Cs c) Be d) Na e) N La energía de ionización es una propiedad periódica. Para estudiarla en unos elementos hay que conocer su número atómico y su configuración de valencia:


H

Cs

Be

Na

1

55

4

11

1

1s

1

6s

2

2s

1

3s

N 7 2

2s 2p3

Los elementos de menor energía de ionización son aquellos a los que resulta más fácil arrancar los electrones de valencia. Dentro de un grupo, esto sucede cuanto mayor es el número atómico, ya que esos electrones están cada vez más alejados del núcleo. Dentro de un periodo, sucede cuanto menor es el número atómico, porque ejercerá menor atracción sobre los electrones de valencia. El orden para estos elementos es: Cs < Na < Be < N < H Nota: de acuerdo con el valor real de esta propiedad el orden sería: Cs < Na < Be < H < N. Se escapa del nivel de conocimientos de este curso profundizar en la justificación de la secuencia exacta. Se mantiene un razonamiento coherente como lo estudiado en la unidad 72.

Explica por qué los gases nobles tienen energía de ionización anormalmente alta. Los gases nobles tienen una configuración electrónica de capa cerrada que es muy estable. Perder un electrón significaría perder esta estabilidad, y por eso tienen una energía de ionización anormalmente alta.

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SOLUCIONARIO

73.

Explica por qué los elementos que tienen baja energía de ionización tienen baja electronegatividad, y viceversa. Los elementos que tienen baja energía de ionización se desprenden fácilmente de sus electrones de valencia, lo que indica que tendrán poca tendencia a atraer sobre sí los electrones de enlace; eso indica que tienen baja electronegatividad. Y viceversa.

74.

Clasifica los siguientes elementos en orden creciente de su electronegatividad: a) H

b) Cs c) Be d) Na e) N La electronegatividad es una propiedad periódica. Para estudiarla en unos elementos hay que conocer su número atómico y su configuración de valencia:


H

Cs

Be

Na

1

55

4

11

1

1s

1

6s

2

2s

1

3s

N 7 2

2s 2p3

Los elementos más electronegativos son los que tienen mayor energía de ionización y mayor afinidad electrónica. Por tanto, son los que están en la parte superior y derecha de la tabla periódica, y viceversa. El orden para estos elementos es: Cs < Na < Be < H < N El H tiene una electronegatividad intermedia debido a que solo tiene 1 electrón de valencia y solo le falta otro electrón para alcanzar la configuración del gas noble He. 75.

El plomo es uno de los metales que se conoce desde la antigüedad. Está en el grupo 14, que encabeza el carbono, un elemento no metálico que es el constituyente más importante de los compuestos orgánicos. Explica cómo es posible que el plomo y el carbono estén en el mismo grupo si uno es un metal y el otro un no metal. El plomo y el carbono se encuentran en el mismo grupo (14) porque tienen la misma configuración de valencia: C: 2s22p2; Pb: 6s26p2 Ambos tienen 4 electrones en su capa de valencia, lo que supone 4 electrones más que el gas noble anterior y 4 electrones menos que el gas noble siguiente. Como el nivel de valencia del plomo está mucho más alejado del núcleo que el del carbono, es más fácalencia y que tenga un comportamiento metálico. El C tiene una electronegatividad intermedia, por lo que más que ganar o perder electrones, compartirá electrones con otros átomos, manifestando un comportamiento no metálico.

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NOTAS

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El enlace químico

PRESENTACIÓN En esta unidad el alumnado estudiará los enlaces químicos que se dan entre las distintas especies presentes en una sustancia, para justificar las propiedades que se observan en ella. El estudio será exhaustivo, comprendiendo tanto el enlace entre átomos como entre cualquier otra especie presente (moléculas o moléculas con iones). Las sustancias muestran una estructura interna que es consecuencia de los átomos que la forman. Se parte, pues, de las características de los átomos que estudiamos en la unidad anterior para comprender los distintos niveles de organización estructural responsables del comportamiento macroscópico que observamos. Mas que centrarse en la enumeración exhaustiva de las características de cada tipo de enlace, el esfuerzo se orientará a justificar porqué ciertos elementos se enlazan de una manera tal que forman sustancias con unas características concretas.

OBJETIVOS • Comprender el enlace químico como un recurso de la naturaleza para evolucionar hacia estados energéticamente más favorables. • Reconocer el enlace químico como el resultado de una interacción de tipo eléctrico. • Distinguir el enlace entre átomos del enlace entre otras especies químicas (moléculas, moléculas e iones, etc.). • Relacionar el tipo de enlace entre átomos con las características electrónicas de los átomos que están comprometidos en él. • Conocer la estructura interna que proporciona un determinado tipo de enlace a las sustancias que resultan de él. • Ser capaz de relacionar las propiedades macroscópicas que se observan en una sustancia con el enlace que se da entre sus átomos. • Comprender que una misma propiedad se puede presentar en distintos grados dependiendo de las características concretas de los átomos presentes, lo que puede provocar que un mismo tipo de enlace origine sustancias aparentemente distintas. Aplíquese, por ejemplo, al hecho de que unos compuestos iónicos son solubles en agua y otros no, o qué moléculas con enlace de hidrógeno se pueden encontrar en sustancias sólidas, líquidas o gaseosas a la temperatura ambiente. • Ser capaz de predecir el comportamiento de una sustancia frente a otras analizando los enlaces que presenta.

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5 El enlace químico CONTENIDOS Conceptos

• La naturaleza del enlace químico. Tipos de enlace entre átomos: iónico, covalente o metálico. • Características de los átomos que se unen con un determinado tipo de enlace. • Estructura interna que resulta de cada tipo de enlace. Redes cristalinas y geometría de las moléculas. • Enlaces en los que participan moléculas. • Propiedades macroscópicas de las sustancias en función del tipo de enlace. • Enlaces responsables de la mezcla de sustancias.

Procedimientos, • Desarrollar estrategias que lleven al alumnado a buscar las características internas de la materia responsable de su destrezas comportamiento externo. y habilidades • Relacionar el diferente valor de una propiedad (por ejemplo, el punto de fusión) en sustancias con el mismo tipo de enlace con las particulares diferencias de los átomos que se enlazan. • Mostrar capacidad para el análisis multifactorial. Se debe utilizar un conjunto de datos de una sustancia para determinar el tipo de enlace y predecir otra serie de propiedades que puede presentar.

Actitudes

• Reconocer que hay un orden interno que justifica el comportamiento observado de la materia. • Apreciar la importancia de la ciencia en general, y de la química en particular, como motores del cambio social; particularizado en su capacidad para proporcionar sustancias con propiedades adecuadas a una finalidad.

EDUCACIÓN EN VALORES A través de esta unidad el alumnado entra en contacto con muchas sustancias que se encuentran en su entorno y otras que le van a resultar accesibles. Por primera vez, se acerca al conocimiento científico de sus propiedades, siendo capaz de predecir características que aún no ha observado. Todo ello le reportará un bagaje que puede tener consecuencias en el establecimiento de su formación en valores y que podemos particularizar en los siguientes: 1. Educación para la salud Algunas de las sustancias que se manejan en esta unidad pueden tener efectos alteradores de la salud, si llegan al individuo; conocerlas nos puede ayudar a prevenir sucesos indeseables. Como ejemplos, deberíamos advertir al alumnado acerca de los problemas relacionados con la volatilidad del yodo o del mercurio.

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2. Educación medioambiental El equilibrio medioambiental es el resultado de una serie de sustancias que, al permanecer en ciertas proporciones, permiten flujos de materia y energía compatibles con la vida tal y como la conocemos. Añadir sustancias al medioambiente o retirarlas de él romperá estos equilibrios provocando consecuencias que no siempre se pueden medir. Podemos aprovechar para comentar las consecuencias de verter a los cauces fluviales muchas sustancias de deshecho, solubles o no, como sales o sustancias orgánicas. Es especialmente importante hablar de la cantidad de jabones y detergentes que se vierten como consecuencia de nuestros hábitos de higiene y los cambios que todo ello produce en algunos hábitats: problemas de eutrofización, etc. En el caso de sustancias no solubles, su permanencia en el terreno también comporta efectos nocivos para el medioambiente. Aquí, se puede comentar las consecuencias de los vertidos de metales pesados o dioxinas, su acumulación en determinados animales y los problemas que conlleva para la cadena alimentaria a la que dichos animales están asociados. 3. Educación para el consumidor Como ciudadanos consumidores, adquirimos productos para una serie de finalidades: alimento, productos de limpieza, etcétera. Conocer las propiedades de las sustancias que incluyen esos productos nos ayudará a prever si se pueden emplear disueltos en agua o no, si una mancha se puede limpiar con cierto producto o no, etc. Todo ello hará de nuestra vida ciudadana una actividad mucho más consciente y, por ende, provechosa para nosotros y nuestro propio entorno.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN 1. Analizar el tipo de enlace que se da cuando se combinan unos átomos determinados y, en su caso, predecir la fórmula del compuesto que se obtiene. 2. Utilizar la regla del octeto para establecer los enlaces que se establecen entre los átomos. 3. Utilizar el modelo de enlace covalente de Lewis para estudiar moléculas o iones que contengan algún enlace covalente dativo. 4. Asignar valores de la energía de red cristalina a una serie de compuestos iónicos con el mismo anión y distinto catión, y viceversa, para analizar la influencia de la carga de los iones o su tamaño. 5. Relacionar la polaridad de una molécula con la polaridad de sus enlaces y su geometría. 6. Asignar propiedades a una serie de sustancias en función del tipo de enlace que se da entre sus átomos, iones o moléculas. 7. Discutir el enlace que interviene en una serie de procesos como el cambio de estado de una sustancia o la solubilidad de una sustancia en otra.

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5 El enlace químico 1.

En el agua:

a) ¿Qué enlaces tenemos que romper para que pase del estado líquido al estado gas?

b) ¿Qué enlaces tenemos que romper para que sus átomos se separen? c) ¿Cuál de estos dos procesos estudiará la física y cuál la química? a) Para que cambie de estado, enlaces intermoleculares (enlaces de H). b) Para que sus átomos se separen, enlaces intramoleculares (enlaces covalentes). c) El proceso a) será estudiado por la física; y el b), por la química, porque da lugar a sustancias nuevas (el H2 y el O2). 2.

Indica cuántos electrones tienen que ganar o perder los átomos de los siguientes elementos para adquirir la configuración de gas noble, y cuál es ese gas noble:

a) S b) Al

c) Li

e) I

d) Sr

f) Cs

Tendremos que conocer el número de electrones en su nivel de valencia. Vendrá dado por el grupo de la tabla periódica al que pertenezcan:

3.

Elemento

S

Al

Li

Sr

I

Cs

Electrones de valencia

6

3

1

2

7

1

Para alcanzar la configuración de gas noble debe …

Ganar 2e

Perder 3e

Perder 1e

Perder 2e

Ganar 1e

Perder 1e

Se convierte en el gas noble…

Ar

Ne

He

Kr

Xe

Xe

Teniendo en cuenta la tabla de electronegatividades que aparece en la página 98, indica qué tipo de enlace resultará de la combinación de las siguientes parejas de átomos:

a) Ag-Au b) N-H

c) S-Cl d) Al-Cl

Enlace Elemento

EN Enlace

124

Ag−A Au

N−H H

S−C Cl

Al−C Cl

Ag

Au

N

H

S

Cl

Al

Cl

1,93

2,54

3,04

2,20

2,58

3,16

1,50

3,16

Metálico: se combinan dos metales.

Covalentes: EN parecidas y altas.

Covalente: EN parecidas y altas.

Iónico: EN muy dispares (metal y no metal).

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SOLUCIONARIO

4.

En la fórmula de los siguientes compuestos hay un error, corrígelo:

a) RbS2 b) Al2O

c) CaI d) LiN2

a) Rb2S b) Al2O3 5.

c) CaI2 d) Li3N

Relaciona los siguientes valores de punto de fusión y las sustancias:

Cuanto mayor es la energía de red, mayor es el punto de fusión. La asignación correcta es:

6.

Sustancia

NaF

KBr

RbI

Energía de red (kJ/mol)

923

682

630

Punto de fusión (°C)

734

996

642

Observa la tabla y completa la frase: Sustancia Energía de red (kJ/mol)

LiF

NaF

KF

RbF

1036

923

821

785

La energía de red disminuye a medida que aumenta la diferencia de tamaño entre el anión y el catión. Escribe la representación de Lewis de las siguientes moléculas y determina si alguna de ellas incumple la regla del octeto:

a) NO b) SF4 c) NH3 d) CHCl3

Las moléculas a) y b) incumplen la regla del octeto:

O

• •

• •

• •

•

N ••

• •

•

— N •• O—

c)

• •

• •

N • • H •• • •

• •

• •

H

H

• • • • • •

b)

• •

F

• •

• • • • •

F

• •

S

• •

F

• •

• •

• • • • •

H • •

F

• •

• •

d)

Cl •

H

• •

• •

• •

N— H

•

• •

C • •

• •

• •

• •

Cl •• • •

Cl •• • •

—

•

• •

Cl — C — Cl

—

a)

H

• •

—

H •

—

7.

Cl

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El BF3 reacciona con el NF3 formando un sólido blanco. Explica esta reacción como el resultado de la formación de un enlace covalente dativo. Identifica la especie dadora y la especie aceptora.

Explicación: Aceptor

H • •

H — N •• + B — F

9.

• •

—

— H

• •

F

• •

—

• •

H — N ••

• •

—

F

—

—

• •

H

• •

• • • •

F

• •

—

• •

H

• •

B—F

• •

—

Dador

• •

F

• •

• •

• •

La molécula de BeCl2 es apolar, mientras que la molécula de Cl2O es polar. ¿Qué puedes decir de la geometría de sus enlaces?

Como los enlaces son polares en ambos casos, BeCl2 es una molécula lineal, mientras que la molécula Cl2O es angular. 10.

Observa la tabla de electronegatividades de la página 98 y ordena los siguientes enlaces covalentes según su polaridad. Indica en cada caso cuál es el elemento que lleva la carga parcial negativa y cuál la carga positiva:

a) O −H H b) N −II

c) Si −C Cl

e) Si −O O

d) S −N N O−H H

Enlace Elemento

O

EN

N−II

H

N

Si−C Cl I

Si

Cl

S−N N S

N

Si−O O Si

O

3,44 2,20 3,04 2,66 1,80 3,16 2,58 3,04 1,80 3,44

Carga parcial

−

+

−

+

+

−

+

−

+

−

La polaridad del enlace depende de la diferencia de electronegatividades. Ordenados desde el más polar al menos polar: Si−O > Si−Cl > O−H > N−S > N−I 11.

Explica por qué la mayoría de las sustancias covalentes que existen en la naturaleza son aislantes eléctricos.

En la mayoría de las sustancias covalentes los electrones están localizados, bien en un átomo, bien en un enlace. No hay movilidad de electrones; en consecuencia, no hay conducción eléctrica. 12.

Piensa en el tipo de enlace que se da entre sus átomos y determina cuáles de las siguientes son fórmulas empíricas y cuáles son fórmulas moleculares:

a) NH3 b) AlCl3

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c) NLi3

e) PCl3

d) CO

f) CaO

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SOLUCIONARIO

Son fórmulas empíricas las de las sustancias iónicas y moleculares las de las sustancias covalentes. Fórmulas empíricas: AlCl3, NLi3, CaO. Fórmulas moleculares: NH3, CO, PCl3. 13.

Explica si son ciertas las siguientes afirmaciones:

a) El enlace covalente es un enlace más débil que el iónico, ya que los compuestos iónicos tienen puntos de fusión más altos que la mayoría de los compuestos covalentes.

b) Los sólidos covalentes cristalinos conducen la corriente eléctrica porque los electrones que forman el enlace covalente se mueven de un lado a otro del cristal con bastante facilidad.

a) Falso. Cuando una sustancia covalente molecular cambia de estado lo que se rompen son enlaces intermoleculares, mucho más débiles que los enlaces covalentes entre sus átomos. b) Esto sucede en algunos sólidos covalentes cristalinos, como el grafito, pero no en aquellos en los que todos los electrones forman parte de enlaces covalentes localizados, como el diamante. 14.

El punto de ebullición del agua a la presión atmosférica es 100 °C, mientras que el del metanol (CH3OH) es de 65 °C. Estudia las moléculas de ambas sustancias y explica este hecho.

Cada molécula de agua está unida a las vecinas por dos enlaces de H, mientras que cada molécula de metanol, solo por un enlace de H. Esto determina que sea más fácil romper las fuerzas que mantienen unidas las moléculas de metanol en estado líquido, y por eso tiene un punto de ebullición más bajo que el agua 15.

Di en cuáles de las siguientes sustancias pueden existir enlaces de hidrógeno.

a) b) c) d)

H2O2

e) CH3 −C COH

SH2

f) CH3 −C COOH

CH2OH CH3 −C

g) NH3

CH3 −O O −C CH3

Forman enlace de H aquellas moléculas en las que existe un enlace −O−H o −N−H Forman enlace de H: a) H2O2, c) CH3−CH2OH, f) CH3−COOH, g) NH3. No forman enlace de H: b) SH2, d) CH3−O−CH3, e) CH3−COH. 16.

El yodo (I2) no se disuelve en agua, pero se puede disolver en acetona (CH3 −C CO −C CH3). Estudia las moléculas de estas sustancias y explica por qué ocurre esto.

La molécula de yodo es una molécula apolar, ya que en ella existe un enlace covalente entre átomos iguales. El tamaño de la molécula de

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5 El enlace químico yodo es tan grande que permite que los electrones se acumulen en un extremo y se forme un dipolo, bien de forma instantánea, bien inducido por otra especie polar. La molécula de agua es una molécula polar en la que se puede dar enlace de H. La molécula de acetona es un poco polar, pero sin posibilidad de formar enlaces de H. Para que una sustancia se disuelva en otra se deben formar entre ellas enlaces que no sean muy distintos de los que existen entre las moléculas de cada sustancia. Los enlaces de H entre las moléculas de agua son mucho mayores que los que se pueden dar entre las moléculas de yodo; por eso no se disuelven. Se disuelven las moléculas de yodo en acetona, porque los enlaces entre estas últimas son mucho más débiles y de orden similar al que se da entre las moléculas de yodo. 17.

¿Por qué los sólidos iónicos son duros?

Dureza es la resistencia al rayado. Para que se pueda rayar un cristal iónico hay que romper la red cristalina, lo que requiere una gran fuerza. 18.

¿Por qué los sólidos covalentes moleculares son blandos y los sólidos covalentes cristalinos son muy duros?

Cuando se produce una raya en un sólido covalente molecular se rompen enlaces intermoleculares, mucho más débiles que los enlaces covalentes entre átomos que se dan en las redes cristalinas de los sólidos covalentes. 19.

¿Por qué el punto de fusión de los metales es alto?

Porque los metales tienen una estructura interna cristalina en la que muchos iones positivos ocupan posiciones perfectamente determinadas, estabilizada por los electrones del nivel de valencia. Para fundir un metal hay que romper esta estructura cristalina, y esto requiere mucha energía. 20.

¿Por qué los sólidos iónicos no conducen la electricidad si están formados por iones?

Porque en estado sólido los iones ocupan posiciones muy determinadas de la red cristalina, sin posibilidad de movimiento. En consecuencia, no hay posibilidad de conducción eléctrica. 21.

¿Por qué los metales conducen muy bien la electricidad?

Porque la estructura interna de los metales está formada por iones positivos estabilizados por los electrones de valencia, que dejan de

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SOLUCIONARIO

estar unidos al núcleo del átomo correspondiente para gozar de una cierta libertad de movimiento. Esa libertad es la que permite la conducción eléctrica. 22.

¿Por qué son frágiles los cristales covalentes?

Frágil quiere decir que no resiste los golpes. Al tratar de golpear un cristal covalente, los núcleos de los átomos que lo forman se aproximarán hasta una distancia mayor de lo que permite la situación de equilibrio; entonces, las repulsiones entre los núcleos de los átomos vecinos se hacen muy grandes y se repelen, rompiendo el cristal. 23.

Explica por qué los gases nobles son los únicos elementos de la tabla periódica que existen en la naturaleza en forma de átomos aislados.

Porque tienen la estructura electrónica más estable que puede tener un átomo. Los demás ganan, pierden o comparten electrones para tener una estructura electrónica similar a la de un gas noble. 24.

Los átomos son especies neutras. Imagina que están formados por partículas como los neutrones. ¿Se podría explicar la formación de enlaces entre los átomos?

Las fuerzas de enlace son de naturaleza eléctrica. Son fuerzas de atracción entre especies con carga positiva y carga negativa. Si todas las partículas que forman el átomo fuesen similares a los neutrones no habría cargas eléctricas y los enlaces entre átomos deberían explicarse por medio de otros tipos de fuerzas. 25.

Si los átomos se atraen cuando se aproximan, ¿por qué no llegan a superponer sus núcleos?

Porque antes de que eso suceda cobrarán mucha importancia las repulsiones entre los núcleos (ambos con carga positiva). 26.

Explica la diferencia entre enlaces intramoleculares y enlaces intermoleculares. Piensa en el amoniaco y explica cómo son unos y otros.

Los enlaces intramoleculares son los que se producen entre los átomos que forman un compuesto. Los átomos comparten electrones que ahora son atraídos por los núcleos de ambos y los mantienen unidos. Cuando se rompen estos enlaces la sustancia se transforma en otra diferente; es un proceso químico. Los enlaces intermoleculares se producen entre moléculas de una sustancia. Son enlaces mucho más débiles que los intramoleculares. Cuando se rompen o se forman, la sustancia cambia de estado, pero sigue siendo la misma sustancia; la sustancia sufre un proceso físico.

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5 El enlace químico Enlace de H intermolecular

H—N

—

H—N

H—N

—

• •

—

• •

—

• •

H

—

H

—

H

H

H

H

Molécula Intermolecular enlace covalente

27.

Contesta:

a) ¿Los átomos de hidrógeno cumplen la regla del octeto en la molécula H2? b) ¿Es una excepción similar a la que se da en la molécula de CO? En la molécula H2 los átomos de H alcanzan la configuración del gas noble más próximo, el He, compartiendo un par de electrones. El nivel de valencia del He solo tiene un orbital (1s), por eso se llena con 2 electrones. El C y el O son elementos del segundo período. En su nivel de valencia hay 1 orbital s y 3 orbitales p, de ahí que se llene con 8 electrones (regla del octeto). El CO no cumple la regla del octeto porque es una molécula deficiente en electrones. Es un caso distinto del H2, que alcanza la configuración del gas noble más próximo teniendo 2 e en su nivel de valencia. 28.

Indica cuántos electrones tienen que ganar o perder los átomos de los siguientes elementos para adquirir la configuración de gas noble y di cuál es ese gas noble:

a) Ca b) N c) Rb

d) Te e) Br f) Be

Tendremos que conocer el número de electrones en su nivel de valencia. Vendrá dado por el grupo de la tabla periódica al que pertenezcan:

130

Elemento

Ca

N

Rb

Te

Br

Be


2

5

1

6

7

2

Para alcanzar la configuración de gas noble debe …

Perder 2e

Ganar 3e

Perder 1e

Ganar 2e

Ganar 1e

Perder 2e

Se convierte en el gas noble…

Ar

Ne

Kr

Xe

Kr

He

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SOLUCIONARIO

29.

Teniendo en cuenta la tabla de electronegatividades de la página 98, indica qué tipo de enlace se forma cuando se combinan las siguientes parejas de átomos:

a) C y H b) O y K

c) Fe y Ni d) Bi y O

Enlace

CyH

Elemento

EN

30.

Al−C Cl

C

H

O

K

Fe

Ni

Bi

O

2,55

2,20

3,44

0,82

1,83

1,91

2,01

3,44

Covalente: EN parecidas y altas.

Enlace

S−C Cl

Fe y Ni

Iónico: EN muy dispares (metal y no metal).

Metálico: EN parecidas y bajas.

Iónico: EN dispares (metal y no metal).

Deduce la fórmula de los compuestos que resulten de la combinación de los siguientes elementos:

a) Cl y Ba b) Sb y Sr

c) N y Al d) Rb y Te

Se trata de ver la carga que adquieren cuando se convierten en gas noble. El compuesto resultante debe ser neutro. Elemento

Cr

Ba

Sb

Sr

N

Al

Rb

Te


7

2

5

2

5

3

1

6

Para alcanzar la Ganar Perder Ganar Perder Ganar Perder Perder Ganar configuración de 1e 2e 3e 2e 3e 3e 1e 2e gas noble debe … Se convierte en el gas noble…

Cl−

Fórmula del compuesto

31.

Ba2+

BaCl2

Sb3−

Sr2+

N3−

Sr3Sb2

Rb+

Al3+

Te2−

Rb2Te

AlN

Define qué se entiende por índice de coordinación (IC). Para los siguientes compuestos se da el índice de coordinación del anión. Escribe tú el del catión: Compuesto IC anión

NaCl

ZnS

CaF2

TiO2

6

4

4

3

IC catión

Índice de coordinación es el número de iones de un signo que rodean a un ion de signo contrario en su esfera más próxima de un cristal iónico.

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¿Cómo es posible que los cristales iónicos sean duros, si son frágiles?

Por la propia estructura de la red cristalina en la que los iones positivos están alternados con los negativos, de forma que las atracciones sean máximas y las repulsiones, mínimas. La dureza es la resistencia al rayado. Los cristales iónicos son duros porque para rayarlos hay que romper la red cristalina, lo que requiere una fuerza importante. Son frágiles porque al darles un golpe y desplazar un plano de la red sobre otro la distancia del tamaño de un ión, quedarán enfrentados iones del mismo signo. Las repulsiones interelectrónicas harán entonces que se rompa el cristal.

1. Golpe sobre el cristal.

33.

2. Los iones se desplazan.

¿Por qué no se puede asegurar que un compuesto iónico se disuelve en agua y se puede asegurar que no se disuelve en gasolina?

Para que un compuesto iónico se disuelva las moléculas de disolvente tienen que rodear los iones, de forma que la energía de solvatación compense la energía de red. Si el disolvente es gasolina, sus moléculas serán apolares; Agua por tanto, no podrán establecer interacciones con los iones. Si el disolvente es agua, sus moléculas polares podrán orientarse alrededor de los iones. Si la energía de red del compuesto iónico no es muy grande, podrán llegar a disolver el cristal.

132

3. Los iones del mismo tipo se repelen.

Sal

Agua

Iones hidratados Na+

Cl−

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SOLUCIONARIO

34.

Explica por qué los compuestos iónicos son aislantes de la electricidad en estado sólido y son conductores cuando están fundidos. ¿Hay alguna otra situación en la que también sean conductores?

Los compuestos iónicos están formados por especies cargadas. Podrán ser conductores de la electricidad cuando estas especies se puedan mover bajo la acción de un campo eléctrico. Esto no es posible cuando el compuesto iónico está en estado sólido, porque entonces los iones ocupan posiciones muy determinadas en la red cristalina, pero sí puede suceder cuando el compuesto está fundido o disuelto. 35.

Teniendo en cuenta los datos que se muestran a continuación y la información que conoces del NaCl, elige, entre los siguientes compuestos, uno que se disuelva en agua con seguridad y otro que no se disuelva en agua. Explica tu elección: Sustancia

NaCl

CsBr

AlCl3

SrO


787

631

5376

3217

El NaCl se disuelve en agua. Un compuesto iónico que tenga una energía de red menor que él se disolverá en agua, y otro que tenga una energía de red muy superior no se disolverá. Se disolverá en agua el CsBr y no se disolverán el AlCl3 ni, probablemente, el SrO. 36.

En la tabla siguiente se muestran los datos de la energía de red para algunos compuestos iónicos. Obsérvalos y completa la frase: La energía de red disminuye a medida que aumenta la diferencia de tamaño entre el anión y el catión. Sustancia Energía de red (kJ/mol)

37.

LiF

LiCl

LiBr

Lil

1036

853

807

357

En la tabla siguiente se muestran los datos de la energía de red para una serie de compuestos iónicos. Obsérvalos y completa la frase: La energía de red aumenta a medida que aumenta la carga del anión y del catión. Sustancia

NaCl

MgCL2

AlCL3


787

2477

5376

133

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Página 134

5 El enlace químico Escribe la representación de Lewis de las siguientes moléculas y determina si alguna de ellas incumple la regla del octeto:

H

a)

H

• •

• •

O

• •

•

• •

• •

•

• •

• •

O

O — O •• • •

• •

H

• •

H— C — H

H

• •

H

O ••

• •

• •

O •• •• O

• •

• • • •

C— — O •• • •

O ••

• •

• •

h)

—C— —O O—

• •

• •

• •

• •

• •

• •

P

• •

• •

• •

Cl

• •

Cl ••

• •

• •

• •

• •

• •

• •

• •

P

• •

Cl ••

• •

• •

• •

• • • •

• •

• •

• •

• •

Cl ••

• •

S

• •

• •

• •

Cl •• • •

• •

• •

• •

• • • •

• •

• •

• •

Cl • • Cl •• • •

• •

Cl ••

• •

• •

• •

P — Cl ••

Cl •• • •

Cl ••

• •

Cl ••

• •

• •

S — Cl ••

• •

• •

• •

• •

• •

• •

Cl — Cl

Cl • •

• •

Cl —

• •

Cl

• •

• • • • • •

Cl ••

—

• •

Cl ••

Cl ••

• •

Cl ••

• •

• •

P — Cl •• • •

—

• •

g)

—

• •

e)

• •

Cl • •

• •

Los átomos de C se unen entre sí formando enlaces covalentes sencillos, dobles y triples. Escribe la representación de Lewis de los compuestos más simples en los que se da esta circunstancia:

H

H

•

C

• •

• •

H•

C

•

• •

• •

H•

C •

• •

H

• •

H

H

H—C—C—H

H

H

H

—H

— C— C—

H—

H

H

•

•

C • •

H c) e t i no

H

H

•

•

• •

• •

H b) e t e no

C

—

• •

—

H

• •

—

H•

c) Etino (C2H2).

—

a) e t a no

b) Eteno (C2H4)

—

a) Etano (C2H6)

134

• •

• •

• •

—

C

• • • •

f)

H

• •

• •

39.

• •

H

H H•

d)

O

• •

b)

c)

•

H

—

h) Cl2

—

d) CO2

g) SCl2

—

c) CO

f) PCl3

—

b) CH4

—

a) H2O2 e) PCl5

—

38.

•

• •

C •

— H—C— —C—H

• •

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Página 135

SOLUCIONARIO

40.

El BF 3 y el NF 3 s o n c o m p u e s t o s d e f ó r m u l a m u y p a r e c i d a . S i n e m b a r g o , uno cumple la regla del octeto y el otro no. Explícalo.

La justificación está en la estructura de Lewis de estas sustancias:

N•

• • • • •

F

• •

• • • •

• •

F

• •

• •

• •

• •

N— F

• •

—

• •

F

—

• •

• •

• •

F

• •

• •

• •

F

• •

B

• •

F

• •

• •

• •

• •

• •

• •

• •

• •

F

• •

F

• •

—

• •

• •

• •

41.

• •

F

• •

B— F

• •

• •

—

• • • •

• •

F

• •

• •

• •

El nitrógeno forma tres oxoácidos, el hiponitroso, el nitroso y el nítrico. Escribe la representación de Lewis de cada uno. Ácido hiponitroso

• •

• •

N•

•

O

• •

H

• •

• •

• •

• •

N—O—H • •

N

• •

• •

• •

• •

• • • •

• •

N• • O

• •

• •

H

Ácido nitroso

N—O—H

• •

• •

• •

N—O—H • •

• • • •

O

• •

• • • •

• •

N• • O

• •

• •

H

• • • •

O

• •

N

— —

• •

• •

• •

• •

O

• •

• •

• •

• •

— —

N

• •

• •

• •

• •

N—O—H • •

Ácido nítrico

— —

• • • •

42.

N

• •

• •

O

• •

• •

• •

N—O—H • •

Los siguientes compuestos son sales que en disolución acuosa se disocian en su anión y su catión. Indica todos los enlaces que se dan en cada uno de los siguientes compuestos:

a) b) c) d)

NH4Cl Ca(NO3)2 MgBr2 NaHCO3 +

a) Enlace iónico entre el anión (Cl−) y el catión (NH4 ). El catión está formado por una molécula de amoniaco (NH3) que se une mediante un enlace covalente dativo a un protón (H1+). En la molécula de amoniaco el N está unido a 3 átomos de H mediante enlaces covalentes. − b) Enlace iónico entre el catión (Ca2+) y el anión (NO3 ). Los enlaces entre los átomos del ion nitrato se indican en la página 128 del libro.

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5 El enlace químico −

c) Enlace iónico entre el catión (Mg2+) y el anión (Br ). d) Enlace iónico entre el catión (Na+) y el anión, el ión bicarbonato − (HCO3 ). Anión bicarbonato

• •

43.

• •

O

— —

–

• •

• •

• •

O—C—O—H • •

• •

Todas las moléculas que se indican a continuación son apolares. Estudia la geometría de sus enlaces:

a) BF3

b) CO2

c) BeCl2

d) C2Cl2

En todos los casos los enlaces son polares. Por tanto, las moléculas tienen que ser perfectamente simétricas para que la suma de los momentos dipolares de todos los enlaces sea cero: F–

–O

+ +B+ –F

44.

F–

+C+ –Cl

O–

–Cl

+C — Cl+

+Be+

Cl–

Cl–

La molécula de CO2 es apolar y la de SO2 es polar. ¿Qué puedes decir de la geometría de sus enlaces?

En ambos casos es una molécula en la que un átomo central se une a otros dos átomos más electronegativos que él. Cada uno de los enlaces (C=O en un caso y S=O en el otro) es polar. En consecuencia, la molécula de CO2 debe ser lineal, y la de SO2, angular. 45.

Copia en tu cuaderno y completa el cuadro siguiente: Tipos de enlaces entre átomos Se da cuando se combinan átomos con electronegatividad

Los átomos adquieren la configuración de gas noble

Ejemplo

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SOLUCIONARIO

Tipos de enlaces entre átomos

46.

Iónico

Se da cuando se combinan átomos con electronegatividad

Muy dispar

Covalente

Metálico

Parecida y alta

Parecida y alta

Los átomos adquieren la configuración de gas noble

Uno ganando electrones y el otro, cediendo electrones

Compartiendo electrones

Cediendo los electrones de valencia que estabilizan los cationes que se forman

Ejemplo

CaCl2

SO2

Ag

O b s e r v a l a t a b l a d e e l e c t r o n e g a t i v i d a d e s d e l a p á g i n a 9 8 y ordena los siguientes enlaces covalentes según su polaridad. Indica en cada caso cuál es el elemento que lleva la carga parcial negativa:

a) Cl −S S b) Cl −F F

c) C −H H

e) B −H H

d) B −C Cl

Enlace Elemento

EN Carga parcial Diferencia EN

Cl−S S Cl

S

C−H H Cl

B−H H F

C

H

S−N N B

Cl

Si−O O B

H

3,16 2,58 3,16 3,98 2,55 2,20 2,04 3,16 2,04 2,20 −

+ 0,58

+

− 0,82

−

+ 0,35

+

− 1,12

+

− 0,16

La polaridad del enlace depende de la diferencia de electronegatividades. Ordenados desde el más polar al menos polar: B−Cl > Cl−F > Cl−S > C−H > B−H 47.

El diamante y el grafito están formados exclusivamente por átomos de carbono. Explica por qué el diamante es un material muy duro y aislante eléctrico y el grafito se separa en láminas y es un material conductor de la electricidad.

Los electrones están comprometidos en enlaces covalentes localizados, formando una red cristalina. Por eso es un material aislante, porque no hay posibilidad de movimiento en los electrones; y muy duro, porque para rayarlo hay que romper enlaces covalentes entre átomos de C. En el grafito, cada átomo de C forma tres enlaces covalentes con otros tres átomos de C y le queda 1 electrón que puede formar parte de una nube electrónica que se extiende por todo el cristal. Estos electrones

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5 El enlace químico se pueden mover bajo la acción de un campo eléctrico. Por eso el grafito es un material conductor. El grafito se puede separar en láminas porque solo están unidos mediante enlaces covalentes los átomos de C de cada plano; los de un plano y el siguiente están unidos por medio de la nube electrónica, que da lugar a un enlace mucho más débil. 48.

Habitualmente identificamos los cristales como materiales transparentes, frágiles y duros. Esto es válido para un cristal de cloruro de sodio y un cristal de diamante, pero no para un cristal de plata. Explica este hecho.

Esto sucede con los cristales iónicos o de sólidos covalentes, como el diamante, en los que las partículas que los forman (iones de distinto signo o átomos) ocupan posiciones muy concretas y tratar de que se aproximen o se separen obliga a que aparezcan repulsiones o que haya que vencer la atracción entre iones en la red cristalina o en enlace covalente entre átomos. En los cristales metálicos los electrones de valencia forman una especie de nube que evita que aparezcan repulsiones nuevas cuando tratamos de rayarlo o golpearlo y absorbe parte de la luz con que se iluminan, impidiendo que sean transparentes. 49.

¿A qué se refiere la carga parcial que tienen algunos átomos en los compuestos covalentes? ¿Los átomos de los compuestos iónicos también tienen carga parcial?

Cuando se unen mediante enlace covalente átomos con electronegatividades diferentes, uno de ellos tiene más tendencia a llevarse sobre sí los electrones del enlace; sobre él aparecerá una carga parcial negativa, debido a que los electrones están más próximos a él, pero no llega a ser una carga real porque no llega a arrancar los electrones al otro elemento, que adquiere una carga parcial positiva. Cuando la diferencia de electronegatividades es muy grande, uno de los átomos llega a arrancar electrones al otro y adquiere una carga total, convirtiéndose ambos en iones. 50.

Una molécula que solo tiene enlaces apolares es apolar. ¿Se puede decir que una molécula que solo tiene enlaces polares es polar?

No. Una molécula con enlaces polares puede ser apolar si la suma vectorial de los momentos dipolares de cada uno de sus enlaces es cero; esto puede suceder si la geometría de la molécula es apropiada. 51.

Piensa en el tipo de enlace que se da entre sus átomos y determina cuáles de las siguientes son fórmulas empíricas y cuáles fórmulas moleculares:

a) SCl2 b) MgCl2 c) BF3

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d) AlCl3

g) TeO

e) SiO2

h) RbI

f) BaO

i) BrI

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SOLUCIONARIO

• Si se unen átomos con electronegatividades parecidas y altas se forma una sustancia covalente y su fórmula es molecular. Esto sucede con: a) SCl2, c) BF3, e) SiO2, g) TeO, j) BrI. • Si se unen átomos con electronegatividades muy dispares se forma una sustancia iónica y su fórmula es empírica. Esto sucede con: b) MgCl2, d) AlCl3, f) BaO, h) RbI. 52.

Razona si las frases siguientes son correctas o no:

a) Las sustancias que forman cristales son sólidas a temperatura ambiente. b) Las sustancias que forman cristales no conducen la electricidad. c) Las sustancias que forman cristales están formadas por átomos de electronegatividad parecida.

d) Las sustancias que forman cristales son duras. e) Las sustancias que forman cristales tienen una estructura interna perfectamente ordenada.

a) Cierto, porque habrá muchas partículas fuertemente unidas y para separarlas y que cambien de estado hay que comunicar energía considerable. b) Falso. Los cristales metálicos conducen la electricidad, y los iónicos la conducen cuando se disuelven o están en estado líquido. c) Falso. Esto sucede con los cristales metálicos o de sólidos covalentes como el diamante. Si el cristal es iónico, estará formado por átomos con electronegatividad muy distinta. d) Es falso en el caso de los cristales metálicos en los que la nube de electrones permite que se puedan deslizar unos planos sobre otros o abrir espacios entre átomos (rayar) sin grandes dificultades. e) Cierto; es una característica de las sustancias cristalinas. 53.

Contesta:

a) ¿Se pueden unir dos átomos de un mismo elemento? b) ¿Cómo será el enlace entre ellos? Sí. Podrán formar enlaces covalentes o metálicos; nunca enlaces iónicos. 54.

¿Es correcta la afirmación de que los compuestos iónicos se disuelven en disolventes polares, y los covalentes, en disolventes apolares?

Los compuestos iónicos que se disuelven lo hacen en disolventes polares, pues son los únicos en los que las interacciones ion-dipolo (de la molécula de disolvente) pueden compensar la energía de red. Hay compuestos iónicos que no se disuelven. Los compuestos covalentes se disuelven en disolventes de polaridad parecida a la del compuesto.

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Con frecuencia un compuesto tiene propiedades muy distintas de los e l e m e n t o s q u e l o f o r m a n . P o r e j e mp l o , e l a g u a , u n a s u s t a n c i a l í q u i d a a temperatura ambiente, está formada p o r o x í g e n o e h i d r ó g e n o , d o s sustancias gaseosas a temperatura ambiente y que hay que someter a bajas temperaturas y altas presiones para conseguir licuarlas. Explica todas estas características estudiando el enlace en cada una de esas sustancias.

En la molécula de agua H−O−H hay enlaces covalentes polares. Las moléculas se pueden unir entre sí por enlaces de H, un enlace intermolecular relativamente fuerte, lo que hace que aparezca en estado líquido a temperatura ambiente. El hidrógeno y el oxígeno forman moléculas covalentes apolares H−H, O=O. Como los átomos son de pequeño tamaño, las fuerzas que se pueden establecer entre sus moléculas son muy débiles; por eso solo se licuarán a temperaturas muy bajas y presiones muy altas. 56.

Explica por qué se puede estirar en láminas un cristal metálico (se dice que los metales son maleables) y no se puede hacer lo mismo con un cristal iónico.

Al desplazar unos sobre otros los planos de un cristal metálico, la nube de electrones evita que aparezcan nuevas repulsiones, algo que sucede si intentamos desplazar los planos de un cristal iónico. (Observar las figuras 5.12 y 5.28 del libro de texto.) 57.

Completa las frases:

a) Los metales son conductores de primera especie porque conducen la electricidad por el movimiento de

.

b) Los compuestos iónicos son conductores de segunda especie porque conducen la electricidad por el movimiento de

.

a) Lo metales son conductores de primera especie porque conducen la electricidad por el movimiento de electrones. b) Los compuestos iónicos son conductores de segunda especie porque conducen la electricidad por el movimiento de iones. 58.

Los compuestos iónicos y los metales conducen la electricidad. Explica si cada uno de ellos la conduce en estado sólido y en estado líquido.

Los compuestos iónicos no conducen la electricidad en estado sólido y sí lo hacen en estado líquido. La razón es que en estado sólido los iones ocupan posiciones fijas en la red cristalina y no se pueden mover, lo que sí pueden hacer en estado líquido. Los metales conducen la electricidad tanto en estado sólido como líquido. La razón está en que esta conducción se realiza por los electrones de valencia que estabilizan los iones metálicos positivos, tanto en el metal sólido como líquido.

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SOLUCIONARIO

59.

Ten en cuenta los datos de las energías de enlace y explica por qué cuando se calienta agua sus moléculas pasan al estado de vapor pero se mantienen los átomos de hidrógeno unidos al átomo de oxígeno.

La energía del enlace covalente es mucho mayor que la del enlace de hidrógeno (véase la tabla en el margen de la página 120). Cuando se calienta agua se rompen los enlaces entre sus moléculas, que pasan al estado de vapor; por calentamiento habitual no llegan a romperse los enlaces covalentes entre los átomos de O y de H. 60.

El etanol (CH3 −C CH2OH) tiene un punto de ebullición de 78 °C, mientras que O −C CH3) tiene un punto de ebullición de −2 25 °C. Explica el éter etílico (CH3 −O a qué se debe esa diferencia si ambas sustancias tienen una masa parecida.

Entre las moléculas de etanol se forman enlaces de H, mientras que entre las de éter solo se forman enlaces dipolo-dipolo, unas fuerzas mucho más débiles que las anteriores, y por eso esta sustancia tiene un punto de ebullición tan bajo. 61.

El enlace de hidrógeno en el agua es el que le confiere sus propiedades físicas. ¿Cómo crees que sería el punto de ebullición del agua si no existiese el enlace de hidrógeno? Piensa en algún cambio que se produciría en tu cuerpo si eso fuese así.

De acuerdo con la gráfica de la figura 5.30, sería del orden de −50 ºC. A temperatura ambiente el agua se encontraría en estado gaseoso. La mayor parte de nuestro cuerpo es agua; por tanto, la vida no se podría desarrollar como la conocemos. 62.

Completa las frases:

a) Los patines de hielo tienen una cuchilla que facilita el deslizamiento. La presión hace que el hielo que está debajo de la cuchilla y el rozamiento

b) Cuando nos movemos, la presión

.

. y el suelo vuelve a

.

a) Los patines de hielo tienen una cuchilla que facilita el deslizamiento. La presión hace que funda el hielo que está debajo de la cuchilla y el rozamiento disminuye. b) Cuando nos movemos, la presión desaparece y el suelo vuelve a congelarse. 63.

¿En cuáles de las siguientes sustancias se puede dar enlace de hidrógeno?

a) NF3

e) HCOH

b) CH3−N NH2

f) HCOOH

c) CH4

g) HCl

d) CH3−C CO−C CH3

h) HNa

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5 El enlace químico El enlace de H se forma en moléculas covalentes que presentan enlaces −O−H o −N−H. Esto sucede en las siguientes: b) CH3−NH2, f) HCOOH. 64.

Observa los datos siguientes y completa las frases que aparecen a continuación: Sustancia

HCl

HBr

HI

T. fusión

− 114 °C

− 87 °C

− 51 °C

a) Cuando las moléculas están unidas por enlace de las sustancias

el punto de fusión su masa molar.

al

Sustancia

F2

Cl2

Br2

I2

T. fusión

−220 °C

−101 °C

−7 °C

114 °C

b) Cuando las moléculas están unidas por enlace de las sustancias

al

el punto de fusión su masa molar.

c) Cuando un conjunto de moléculas están unidas por enlaces del mismo tipo, el punto de su

y el punto de

aumenta al

.

a) Cuando las moléculas están unidas por enlace dipolo-dipolo el punto de fusión de las sustancias aumenta al aumentar su masa molar. b) Cuando las moléculas están unidas por enlace dipolo instantáneodipolo inducido el punto de fusión de las sustancias aumenta al aumentar su masa molar. c) Cuando un conjunto de moléculas están unidas por enlaces del mismo tipo, el punto de fusión y el punto de ebullición aumenta al aumentar su masa molar. 65.

Lo que se conoce como nieve carbónica es CO2 en estado sólido. Se utiliza para producir efectos especiales, ya que cuando se abre el recipiente que la contiene sale una nube de gas blanco. Analiza la molécula de CO2 y explica por qué se produce el cambio de estado que se observa.

En la molécula de O=C=O hay dos enlaces covalentes polares pero, como su geometría es lineal, es una molécula apolar. Las fuerzas intermoleculares son muy débiles, de ahí que para solidificarla hay que someterla a fuertes presiones y bajas temperaturas. Cuando se abre el recipiente que contiene la nube carbónica, se encontrará a temperatura y presión ambiental, lo que hace que desaparezcan las fuerzas entre las moléculas y pase rápidamente al estado gaseoso.

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SOLUCIONARIO

66.

El agua (H2O), el alcohol metílico (CH3OH) y el cloroformo (CHCl3) son tres líquidos de aspecto muy parecido. Sin embargo, el agua se mezcla muy bien con el alcohol y es inmiscible con el cloroformo. Estudia las moléculas de estas sustancias y explica a qué puede ser debido.

Entre el agua y el alcohol se pueden formar enlaces del H, igual a los que existen entre las moléculas de agua entre sí y entre las moléculas de alcohol entre sí. La molécula de cloroformo es polar, pero no permite la formación de enlaces de hidrógeno; por eso no se mezcla con el agua. Lo semejante se disuelve en lo semejante. 67.

Los elementos del grupo 14 forman compuestos con el oxígeno que tienen forma similar, pero propiedades muy diferentes. Fijate en estos compuestos: • CO2

• SiO2

• SnO2

Ahora copia la tabla en tu cuaderno y completa: CO2

SiO2

SnO2

Tipo de enlace entre sus átomos Estado físico a temperatura ambiente ¿Forma moléculas? ¿Forma cristales?

La clave está en la diferencia de electronegatividades entre los átomos que se enlazan: CO2

SiO2

SnO2

Convalente

Covalente

Iónico

Gas

Sólido

Sólido

¿Forma moléculas?

Sí

No

No

¿Forma cristales?

No

Sí

Sí

Tipo de enlace entre sus átomos Estado físico a temperatura ambiente

68.

Relaciona los siguientes compuestos con la propiedad más adecuada:

AlCl3 Xe

Sólido a temperatura ambiente, sublima

con facilidad. Conduce la electricidad en estado sólido.

BH3

El líquido es más denso que el sólido.

H2O

Es una molécula deficiente en electrones.

I2

Su cristal es muy duro.

Sn

Es un gas formado por átomos aislados.

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5 El enlace químico AlCl3 Xe BH3 H2O

69.

Sólido a temperatura ambiente, sublima

con facilidad.

Conduce la electricidad en estado sólido. El líquido es más denso que el sólido. Es una molécula deficiente en electrones.

I2

Su cristal es muy duro.

Sn

Es un gas formado por átomos aislados.

Explica por qué puedes cortar un filete con un cuchillo y no puedes cortar el tenedor con el cuchillo.

El filete está formado por sustancias covalentes, y cortar un filete significa romper fuerzas intermoleculares. Para cortar el tenedor tendremos que romper el cristal metálico. El enlace metálico es mucho más fuerte que las fuerzas intermoleculares. 70.

Señala todos los enlaces que existen cuando el CaCl2 se disuelve en agua.

El CaCl2 es un compuesto iónico. Cuando se disuelve en agua, cada uno de estos iones se rodean de moléculas de agua, dando lugar a interacciones ión-dipolo. La molécula de agua es polar y orienta su polo positivo en torno al ion negativo (Cl−), y su polo negativo, en torno al ion positivo (Ca2+). 71.

Señala todos los enlaces que existen cuando el Na 2CO 3 se disuelve en agua.

El Na2CO3 es un compuesto iónico. Cuando se disuelve en agua, cada uno de estos iones se rodean de moléculas de agua dando lugar a interacciones ión-dipolo. La molécula de agua es polar y orienta su polo positivo en torno al ion negativo (CO2− 3 ), y su polo negativo, en torno al ion positivo (Na+). Por lo que respecta al ion carbonato, los átomos de O están unidos al átomo de C mediante enlaces covalentes, del modo siguiente: Anión carbonato

• •

72.

O

— —

–

• •

• • • •

• •

O—C—O • •

• •

–

• •

Señala todos los enlaces que existen cuando el metanol (CH3OH) se disuelve en agua.

El metanol es una molécula covalente en la que el C actúa de átomo central. El agua también es una molécula covalente en la que los dos átomos de H están unidos a un átomo de O. Ambas sustancias tienen

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SOLUCIONARIO

enlace −O−H, lo que indica que pueden formar enlaces de H entre ellas, además del enlace de H que se establece entre moléculas de agua y el que se establece entre moléculas de metanol: Molécula de agua

• •

• •

H

O• • H

• •

—

H

• •

• •

• •

O—H

Enlace de H

• •

H

—

H—O—C—H • •

H

—

• •

H

H

• •

• • • •

O

• •

• •

C

• •

• •

H

H

Molécula de metanol

73.

Las manchas de grasa son difíciles de limpiar con agua. Cuando las llevamos a la tintorería las limp ian en seco con disolventes derivados del petróleo, a base de carbono e hidrógeno. Teniendo esto en cuenta, discute si las moléculas de grasa son polares o apolares.

Los disolventes derivados del petróleo, a base de C e H son moléculas apolares. Por tanto, las grasas deben ser sustancias apolares, ya que lo semejante se disuelve en lo semejante. En agua solo se disuelven las sustancias polares. 74.

El diamante es el material más duro que existe. Utiliza este dato para justificar que el enlace covalente entre átomos de carbono es más fuerte que los enlaces entre iones.

Si el diamante es el material más duro que existe, es capaz de rayar cualquier otro material, incluidos los cristales iónicos. Esto determina que la fuerza que mantiene unidos a los átomos de C del diamante es mayor que la que mantiene a los iones en la red cristalina. 75.

Las configuraciones electrónicas de los átomos son: A → 1s22s22p63s23p4 B → 1s22s22p63s23p64s23d104p5 Estudia:

a) La fórmula del compuesto que resulta cuando se combinan A y B. b) El tipo de enlace que se da entre ellos. c) El estado físico en que se encontrará a temperatura ambiente. d) Su capacidad para conducir la electricidad.

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5 El enlace químico a) AB2. b) Covalente, pues los dos necesitan captar electrones para alcanzar la configuración de gas noble. c) Probablemente líquido. Se formarán una molécula polar de tamaño no pequeño. d) No conduce la electricidad porque todos los electrones pertenecen a un átomo o a enlaces localizados 76.

Relaciona la propiedad con el tipo de enlace al que corresponde:

Iónico

Ion-dipolo Dipolo instantáneodipolo inducido

Metálico

Las especies que se enlazan son iones.

Forma cristales. Da lugar a sustancias sólidas a temperatura ambiente. Forma moléculas. Enlace entre átomos. Enlace entre moléculas. Solo aparece cuando existen enlaces O −H H, N −H H y F −H H. Se da entre moléculas apolares. Es el enlace más débil. Enlace responsable de la disolución de compuestos iónicos.

Enlace de H

Origina sustancias que conducen la electricidad.

Dipolodipolo

Origina sustancias blandas que se pueden rayar con la uña.

Covalente

Es el enlace intermolecular más fuerte. Las sustancias que lo forman se disuelven en agua.

Iónico: 1, 2, 11, 14 (a veces). Ion-dipolo: 10, 14. Dipolo instantáneo-dipolo inducido: 6, 8, 9, 12. Metálico: 2, 3, 5, 11. Enlace de H: 6, 7, 12, 13, 14. Dipolo-dipolo: 6, 12. Covalente: 2 (En ocasiones, como el diamente). 4 (La mayoría de las veces). 5.

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La reacción química

PRESENTACIÓN En esta unidad el alumnado aprenderá a hacer cálculos estequiométricos de forma sistemática. Se presentará una casuística que permita abordar las dificultades de manera diferencial y graduada y se hará especial insistencia en los procedimientos de cálculo. De forma cualitativa, nos aproximaremos al estudio microscópico de las reacciones químicas para entender cómo sucede y cómo se puede alterar su curso en función de los distintos intereses. Consideramos muy interesante que el alumnado conozca algunas reacciones que tienen una gran incidencia en su entorno vital y pueda aplicar a esos casos los procedimientos que ha aprendido a lo largo de la unidad. Muchos de los casos analizados en la unidad se referirán a reacciones de ese tipo.

OBJETIVOS • Reconocer cuándo se produce una reacción química identificando todas las sustancias que participan en ella. • Ser capaz de proponer algún método para alterar el curso de una reacción (acelerándola o retardándola). • Manejar con soltura los balances de materia en las reacciones químicas. • Ser capaz de hacer cálculos en reacciones cuyas sustancias participantes se encuentren en cualquier estado físico o en disolución. • Trabajar con reacciones en las que participen sustancias con un cierto grado de riqueza o que transcurran con un rendimiento inferior al 100 %. Comprender el alcance del concepto «reactivo limitante». • Realizar balances energéticos derivados de reacciones químicas. • Ser capaz de aplicar lo aprendido a reacciones que se producen en el entorno próximo del alumnado (en su hogar o el medioambiente).

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6 La reacción química CONTENIDOS Conceptos

• La reacción química como cambio que experimenta la materia. • Interpretación microscópica de la reacción química. • Factores que influyen en la velocidad de una reacción química; posibilidad de alterarlos. • La ecuación química como representación analítica de una reacción. • Cálculos de materia en las reacciones químicas. • Cálculos energéticos en las reacciones químicas. • Tipos de reacciones químicas. • Reacciones químicas de interés biológico, industrial y medioambiental.

Procedimientos, • Plantear la ecuación de una reacción química y balancearla por tanteo. destrezas • Obtener el equivalente en mol de cierta cantidad de sustancia y habilidades cualquiera que sean las unidades en las que se presente. • Realizar balances de materia y energía relativos a una reacción química. • Manejar con soltura los conceptos de riqueza, rendimiento y reactivo limitante. • Reproducir reacciones sencillas en el laboratorio y adiestrarse en el reconocimiento de la aparición de nuevas sustancias.

Actitudes

• Comprender el papel de la química en la construcción de un futuro sostenible y nuestra contribución personal y ciudadana a esa tarea. • Adquirir responsabilidad en el trabajo de laboratorio, tanto en el cuidado del material como en la estrecha vigilancia de las reacciones que se llevan a cabo.

EDUCACIÓN EN VALORES 1. Educación para la salud En esta unidad se tratan las reacciones ácido-base, algunas de las cuales tienen consecuencias para el estado físico de las personas. Se practica con ejemplos que simulan el empleo de antiácidos para contrarrestar la acidez de estómago y se comenta la importancia del pH en los productos cosméticos. Desde el punto de vista energético se hacen cálculos relativos a las calorías que aporta el consumo de una determinada cantidad de azúcar con la intención de que el alumnado comprenda de dónde procede este dato que se incluye en la información de muchos de los alimentos que consumimos. 2. Educación medioambiental Muchas reacciones químicas originan sustancias que tienen graves consecuencias para el entorno, como las reacciones de combustión. Paralelamente, tirar sustancias de forma incontrolada puede alterar el medioambiente de forma significativa. Es fundamental hacer ver al alumnado que, además de la importancia del papel

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de los gobernantes, dictando leyes y vigilando su cumplimiento, y el de las industrias, siendo escrupulosos en el cumplimiento de esas leyes, también es muy relevante el de la ciudadanía que, con su comportamiento, puede llevar a cabo gran cantidad de pequeñas actuaciones que, en conjunto, suponen importantes agresiones en el entorno. 3. Educación para el consumidor En nuestra faceta de consumidores con frecuencia nos manejamos con productos que sufren reacciones químicas. Dependiendo del caso, nos interesará retrasarlas (por ejemplo, para conservar los alimentos en buen estado durante el mayor tiempo posible) o acelerarlas (para cocinarlos o transformar sustancias). Conocer el modo en que se producen las reacciones químicas a nivel microscópico nos puede ayudar a buscar las condiciones idóneas para alterar su velocidad. Paralelamente, conocer la reacción mediante la que actúa una sustancia nos puede ayudar a elegir y comprar el producto idóneo para un fin, que no siempre coincide con lo que las técnicas de venta nos presentan. 4. Educación no sexista Abordar el estudio de los productos de limpieza y los productos cosméticos desde el punto de vista del proceso ácido-base que comprenden contribuye a dar una visión de estas tareas alejada de la cuestión del género al que habitualmente se atribuyen esas tareas. Se trata de interesar a todo el alumnado, chicos y chicas, en conocer cuál es el producto más adecuado para una finalidad, con la intención de que todos lo utilicen del modo más eficiente posible. Igualmente, cuando se habla de los problemas medioambientales asociados al mal uso de los carburantes, o a los vertidos irresponsables, se intenta sensibilizar a todos para que sean ciudadanos responsables del entorno en el que se desenvuelven.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN 1. Escribir la ecuación química ajustada de todas las sustancias que participan en una reacción. 2. Predecir factores o condiciones que modifiquen la velocidad a la que se produce una reacción química concreta. Aplicarlo a reacciones que transcurran en el entorno próximo de los alumnos o que tengan interés industrial o medioambiental. 3. Hacer balances de materia y energía en una reacción química, cualquiera que sea el estado en que se encuentren las sustancias. 4. Hacer cálculos estequiométricos de reacciones en las que intervengan reactivos con un cierto grado de pureza y con un rendimiento inferior al 100 %. 5. Realizar cálculos estequiométricos en procesos con un reactivo limitante. 6. Identificar el tipo de reacción que tiene lugar en un proceso del entorno próximo del alumno. Por ejemplo, procesos ácido-base (empleo de antiácidos o productos de limpieza) o procesos de combustión. 7. Analizar una reacción desde el punto de vista de su influencia en la construcción de un futuro sostenible.

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6 La reacción química 1.

Ajusta las siguientes reacciones químicas y luego descríbelas con una frase: a) H2SO4 (aq) + Al(OH)3 (aq) → H2O (l) + Al2(SO4)3 (aq) b) C8H16 (l ) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (l ) c) NH3 (g) + O2 (g) → NO (g) + H2O (g) En la primera reacción: ¿Qué cantidad de hidróxido de aluminio necesitas para que reaccione todo el ácido sulfúrico contenido en 20 mL de ácido de 1,96 g/mL de densidad y 8 5 % de riqueza? a) 3 H2SO4 (aq) + 2 Al(OH)3 (aq) → 6 H2O (l ) + Al2(SO4)3 (aq) 3 mol de ácido sulfúrico disuelto reaccionan con 2 mol de hidróxido de aluminio para dar 6 mol de agua y 1 mol de sulfato de aluminio en disolución. b) C8H16 (l ) + 12 O2 (g) → 8 CO2 (g ) + 8 H2O (l ) 1 mol de C8H16 (l ) reacciona con 12 mol de gas oxígeno para dar 8 mol de gas dióxido de carbono y 8 mol de agua en estado líquido. c) 2 NH3 (g) + 5/2 O2 (g) → 2 NO (g ) + 3 H2O (g) 2 mol de amoniaco gaseoso reaccionan con 5/2 mol de gas oxígeno para dar 2 mol de monóxido de nitrógeno gas y 3 mol de agua gas. La estequiometría de la primera reacción nos permite conocer la proporción en mol en que reaccionan las sustancias. Calculamos la cantidad en mol que representa la cantidad de ácido sulfúrico indicada: 20 mL de H2SO4 comercial ⋅

1,96 g = 39,2 g de H2SO4 comercial 1mL

39,2 g de H2SO4 comercial ⋅

85 g de H2SO4 puro 100 g de H2SO4 comercial

=

= 33,32 g de H2SO4 puro M (H2SO4) = 2 ⋅ 1 + 32 + 4 ⋅ 16 = 98 → 33,32 g de H2SO4 ⋅

0,34 mol de H2SO4 ⋅

1mol de H2SO4 98 g de H2SO4

2 mol de Al(OH)3 3 mol de H2SO4

= 0,34 mol de H2SO4

= 0,23 mol de Al(OH)3

M [Al(OH)3] = 27 + 3 ⋅ (16 + 1) = 78 → 0,23 mol de Al(OH)3 ⋅

g → mol

g → mol

78 g de Al(OH)3 1 mol de Al(OH)3

= 17,94 g de Al(OH)3 se necesitan

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=

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SOLUCIONARIO

2.

Escribe y ajusta la ecuación química de las siguientes reacciones: a) El amoniaco reacciona con el ácido sulfúrico para dar sulfato de amonio. b) Cuando el óxido de hierro (III) reacciona con el monóxido de carbono se obtiene hierro metálico y se libera dióxido de carbono. Calcula la cantidad de óxido de hierro (III) de riqueza 65 %, que se necesita para obtener 32 g de hierro metálico. a) 2 NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4 b) Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2 La estequiometría de la segunda reacción nos permite conocer la proporción en mol en que reaccionan las sustancias. Calculamos la cantidad en mol que representa la cantidad de hierro: 32 g de Fe ⋅

1mol de Fe 55,8 g de Fe

→ 0,57 mol de Fe ⋅

= 0,57 mol de Fe →

1mol de Fe2O3 2 mol de Fe

= 0,29 mol de Fe2O3

M (Fe2O3) = 2 ⋅ 55, 8 + 3 ⋅ 16 = 159,6 → 0,29 mol de Fe2O3 ⋅

159,6 g de Fe2O3 1 mol de Fe2O3

g → mol

= 46,3 g de Fe2O3

Dado que estamos utilizando un óxido de hierro (III) del 65 % de riqueza: 46,3 g de Fe2O3 ⋅

3.

100 g de óxido de partida 65 g de Fe2O3

= 71,21 g de óxido de partida

La acidez de estómago se debe a un exceso en la producción de HCl por parte de nuestro organismo. Para contrarrestarla podemos tomar una lechada de hidróxido de aluminio que reacciona con el ácido dando cloruro de aluminio y agua. a) Escribe la reacción que tiene lugar. b) Calcula los gramos de hidróxido de aluminio que hay que tomar para neutralizar 10 mL de HCl 1,25 M. c) Calcula los gramos de cloruro de aluminio que se forman. a) 3 HCl + Al(OH)3 → AlCl3 + 3 H2O La estequiometría de la reacción nos permite conocer la proporción en mol en que reaccionan las sustancias. Calculamos la cantidad en mol que representa la cantidad de HCl indicada: 10 ⋅ 10−3 L de HCl ⋅

1,25 mol de HCl 1 L de HCl

= 1,25 ⋅ 10−3 mol de HCl

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6 La reacción química b) 1,25 ⋅ 10−3 mol de HCl ⋅

1mol de Al(OH)3

= 4,17 ⋅ 10−4 mol de Al(OH)3

3 mol de HCl

M [Al(OH)3] = 27 + 3 ⋅ (16 + 1) = 78 → 4,17 ⋅ 10−4 mol de Al(OH)3 ⋅

g → mol

78 g de Al(OH)3 1 mol de Al(OH)3

=

= 3,25 ⋅ 10−2 g = 32,5 mg de Al(OH)3 se neutralizan c) 1,25 ⋅ 10−3 mol de HCl ⋅

1mol de AlCl3

= 4,17 ⋅ 10−4 mol de AlCl3

3 mol de HCl

M (AlCl3) = 27 + 3 ⋅ 35,5 = 133,5 → 4,17 ⋅ 10−4 mol de AlCl3 ⋅

g → mol

133,5 g de AlCl3 1 mol de AlCl3

=

= 5,57 ⋅ 10−2 g = 55,7 mg de AlCl3 se forman 4.

Cuando se calienta el clorato de potasio se desprende oxígeno y queda un residuo de cloruro de potasio. Calcula: a) La cantidad de clorato que se calentó si el oxígeno que se obtuvo, recogido en un recipiente de 5 L a la temperatura de 80 °C, ejercía una presión de 3,5 atm. b) Los gramos de cloruro de potasio que se obtuvieron. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. KClO3

→

1 mol de clorato de potasio

se descompone y da

3/2 O2 3/2 mol de oxígeno

+

KCl

y

1 mol de cloruro de potasio

5 L, 80 ºC, 3,5 atm

3. Expresamos en mol la cantidad de oxígeno. Como es un gas, utilizamos la ecuación: PV = nRT→ →n=

PV = RT

3,5 atm ⋅ 5 L 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K

= 0,6 mol de O2

⋅ (273 + 80) K

4. La estequiometría de la reacción permite calcular las cantidades de las otras sustancias que intervienen.

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SOLUCIONARIO

a) 0,6 mol de O2 ⋅

1mol de KClO3 3/2 mol de O2

= 0,4 mol de KClO3

M (KClO3) = 39,1 + 35,5 + 3 ⋅ 16 = 122,6 → 0,4 mol de KClO3 ⋅

b) 0,6 mol de O2 ⋅

122,6 g de KClO3 1 mol de KClO3

1mol de KCl 3/2 mol de O2

5.

= 49 g de KClO3

= 0,4 mol de KCl

M(KCl) = 39,1 + 35,5 = 74,6 → 0,4 mol de KCl ⋅

g → mol

74,6 g de KCl 1 mol de KCl

g → mol

= 29,8 g de KCl

Cuando un hidrocarburo reacciona con una cantidad limitada de oxígeno se produce monóxido de carbono y agua. a) Escribe la reacción en la que el propano (C3H8) se transforma en monóxido de carbono. b) ¿Qué volumen de oxígeno, medido en condiciones normales, reacciona con 4 L de propano a 2 atm y 25 °C? c) ¿Qué volumen de monóxido de carbono se obtendrá, medido en condiciones normales? 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. +

C3H8 1 mol de propano

reacciona con

→

7/2 O2 7/2 mol de oxígeno

para dar

3 CO 3 mol de monóxido de carbono

+ y

4 H2O 4 mol de agua

4 L, 2 atm, 25 ºC

3. Expresamos en mol la cantidad de propano. Como es un gas, utilizamos la ecuación: PV = nRT→ →n=

PV = RT

2 atm ⋅ 4 L 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K

= 0,33 mol de C3H8

⋅ (273 + 25) K

4. La estequiometría de la reacción permite calcular las cantidades de las otras sustancias que intervienen:

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6 La reacción química a) 0,33 mol de C3H8 ⋅

7/2 mol de O2 1 mol de C3H8

= 1,15 mol de O2

En C.N. 1 mol de un gas ideal ocupa 22,4 L. Por tanto: 1,15 mol de O2 ⋅

b) 0,33 mol de C3H8 ⋅

22,4 L 1 mol

3 mol de CO 1 mol de C3H8

= 25,8 L de O2

= 0,99 mol de CO

En C.N. 1 mol de un gas ideal ocupa 22,4 L. Por tanto: 0,99 mol de CO ⋅

6.

22,4 L 1 mol

= 22,2 L de CO

El nitrato de amonio (NH4NO3) es una sustancia que se utiliza habitualmen te como fertilizante. Bajo la acción de detonadores explota descomponiéndose en nitrógeno, oxígeno y agua, razón por la cual también se utiliza para fabricar explosivos. En un bidón tenemos 0,5 kg de una sustancia que tiene un 8 0 % de riqueza en nitrato de amonio. Si llegase a explotar totalmente, calcula: a) La presión que ejercería el nitrógeno que se libera si el bidón es de 50 L y la temperatura es de 35 °C. b) El volumen de agua que aparecería en el bidón. Densidad del agua = 1 g/mL. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. NH4NO3

→

N2

1 O2 2

+

1 mol de nitrato se descompone 1 mol de y de amonio para dar nitrógeno

+

1/2 mol y de oxígeno

2 H2O 2 mol de agua

0,5 kg, 80 % en NH4NO3

3. Expresamos en mol la cantidad de nitrato de amonio puro que existe en el bidón: 0,5 kg de producto ⋅

80 kg de NH4NO3 puro 100 kg de producto

= 0,4 kg de NH4NO3 puro

M (NH4NO3) = 2 ⋅ 14 + 4 ⋅ 1 + 3 ⋅ 16 = 80 g/mol → → 0, 4 ⋅ 10 3 g de NH4NO3 ⋅

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1mol de NH4NO3 80 g de NH4NO3

= 5 mol de NH4NO3

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SOLUCIONARIO

4. La estequiometría de la reacción permite calcular las cantidades de las otras sustancias que intervienen: a) 5 mol de NH4NO3 ⋅

1mol de N2 1 mol de NH4NO3

= 5 mol de N2

Utilizamos la expresión de los gases para calcular la presión que ejercerá: PV = nRT → nRT →P = = V

5 mol ⋅ 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K

⋅ (273 + 35) K = 2,53 atm

50 L

b) 5 mol de NH4NO3 ⋅

2 mol de H2O 1 mol de NH4NO3

= 10 mol de H2O

Como el agua es un líquido, calculamos la masa equivalente a estos moles y, por medio de la densidad, el volumen que ocupa: M (H2O) = 2 ⋅ 1 + 16 = 18 g/mol → → 10 mol de H2O ⋅

180 g de H2O ⋅

7.

18 g de H2O 1 mol de H2O

1mL de H2O 1 g de H2O

= 180 g de H2O

= 180 mL de H2O

El óxido de hierro (III) es un compuesto que se utiliza, entre otras cosas, para fabricar cintas de grabación. Para determinar su riqueza en una muestra se la hizo reaccionar con hidrógeno gaseoso. Como resultado se obtiene hierro y agua. Determina el porcentaje en óxido de hierro (III) si 100 g de muestra consumen 33,6 L de H2, medidos en condiciones normales. ¿Qué cantidad de hierro se depositará en el proceso? 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. +

Fe2O3 1 mol de óxido de hierro (III)

→

3H2

reacciona 3 mol de con hidrógeno

100 g de muestra

2Fe

+

para 2 mol y dar de hierro

3H2O 3 mol de agua

33,6 L en C.N.

4. Expresamos en mol la cantidad de hidrógeno. Como es un gas ideal, tenemos en cuenta que cada mol ocupa 22,4 L: 33,6 L de H2 ⋅

1mol 22,4 L

= 1,5 mol de H2

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6 La reacción química 4. La estequiometría de la reacción permite calcular las cantidades de las otras sustancias que intervienen: a) Inicialmente calculamos la cantidad de Fe2O3 que reacciona con esa cantidad de H2; será la cantidad de esa sustancia que contiene la muestra: 1,5 mol de H2 ⋅

1mol de Fe2O3 3 mol de H2

= 0,5 mol de Fe2O3

M (Fe2O3) = 2 ⋅ 55, 8 + 3 ⋅ 16 = 159,6 → 0,5 mol de Fe2O3 ⋅

159,6 g de Fe2O3 1 mol de Fe2O3

g → mol

= 79,8 g de Fe2O3

Puesto que esta es la cantidad que hay en 100 g de muestra, concluimos que tiene una riqueza del 79,8 % en Fe2O3. b) Para calcular la cantidad de Fe que se deposita: 1,5 mol de H2 ⋅

2 mol de Fe 3 mol de H2

= 1mol de Fe →

→ 55,8 g de Fe que se depositan 8.

Cuando el yoduro de potasio reacciona con nitrato de plomo (II), se obtiene un precipitado amarillo de yoduro de plomo (II) y otra sustancia. Si se mezclan 25 mL de una disolución 3 M de KI con 15 mL de disolución 4 M de Pb(NO3)2, calcula la cantidad de precipitado amarillo que se obtendrá. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. 2 KI 2 mol de yoduro de potasio 25 mL, 3 M

+ reacciona con

Pb(NO3)2

→

1 mol de para nitrato dar de plomo (II)

PbI2

+

2 KNO3

1 mol de yoduro de plomo (II)

y

2 mol de nitrato de potasio

15 mL, 4 M

3. Expresamos en mol la cantidad de las sustancias que reaccionan. Puesto que conocemos las cantidades de los dos reactivos, lo más probable es que uno de ellos actúe de reactivo limitante; determinaremos cuál.

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SOLUCIONARIO

3 mol

25 ⋅ 10−3 L de KI ⋅

= 7,5 ⋅ 10−2 mol de KI

1L

15 ⋅ 10−3 L de Pb(NO3 )2 ⋅

4 mol 1L

= 6 ⋅ 10−2 mol de Pb(NO3 )2

Determinamos el reactivo limitante teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción: 2 mol de KI 6 ⋅ 10−2 mol de Pb(NO3 )2 ⋅ = 12 ⋅ 10−2 mol de KI 1 mol de Pb(NO3 )2 Esta cantidad es mayor que los 7,5 ⋅ 10−2 moles que reaccionan de esta sustancia, por tanto, el reactivo limitante es KI. 4. Calculamos la cantidad de sustancia que se obtiene a partir de la cantidad existente del reactivo limitante. La estequiometría de la reacción permite determinarla: 1mol de PbI2 7,5 ⋅ 10−2 mol de KI ⋅ = 3,75 ⋅ 10−2 mol de PbI2 2 mol de KI M (PbI2) = 207,2 + 2 ⋅ 126, 9 = 461 3,75 ⋅ 10−2 mol de PbI2 ⋅

9.

461 g de PbI2 1 mol de PbI2

g → mol

= 17,29 g de PbI2

El cadmio reacciona con el ácido nítrico dando nitrato de cadmio e hidrógeno. Se hacen reaccionar 8 g de cadmio con 60 g de HNO3 1,5 M. ¿Cuántos gramos de hidrógeno se obtendrán como máximo? 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. Cd

+

2 HNO3

→

Cd(NO3)2

+

H2

2 mol de cadmio

reacciona con

2 mol de ácido nítrico

para dar

1 mol de nitrato de cadmio

y

1 mol de hidrógeno

8g

60 mL, 1,5 M

3. Expresamos en mol la cantidad de las sustancias que reaccionan. Puesto que conocemos las cantidades de los dos reactivos, lo más probable es que uno de ellos actúe de reactivo limitante; determinaremos cuál: • 8 g de Cd ⋅

1mol de Cd 112,4 g de Cd

• 60 ⋅ 10−3 L de HNO3 ⋅

= 7,12 ⋅ 10−2 mol de Cd

1,5 mol 1L

= 9 ⋅ 10−2 mol de HNO3

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6 La reacción química Determinamos el reactivo limitante teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción: 9 ⋅ 10−2 mol de HNO3 ⋅

1mol de Cd 2 mol de HNO3

= 4,5 ⋅ 10−2 mol de Cd

Esta cantidad es menor que los 7,12 · 10−2 moles que reaccionan de esta sustancia. Por tanto, el reactivo limitante es HNO3. 4. Calculamos la cantidad de hidrógeno que se obtiene a partir de la cantidad existente del reactivo limitante. La estequiometría de la reacción permite determinarla: 9 ⋅ 10−2 mol de HNO3 ⋅

1mol de H2 2 mol de HNO3

= 4,5 ⋅ 10−2 mol de H2

g → mol 2 g de H2 → 4,5 ⋅ 10−2 mol de H2 ⋅ = 0,09 g de H2 1 mol de H2 M (H2) = 2 ⋅ 1 = 2

10.

Sabemos que cuando un ácido reacciona con una base neutralizan sus efectos. ¿Será suficiente añadir 6 g de hidróxido de calcio a 100 mL de una disolución de ácido nítrico 2 M para tener un medio neutro? Determina si después de la reacción tenemos un medio ácido o básico. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos Ca(OH)2

+

2 HNO3

→

1 mol de hidróxido de calcio

reacciona con

2 mol de ácido nítrico

para dar

6g

Ca(NO3)2 1 mol de nitrato de calcio

+

2 H2O

y

1 mol de agua

100 mL, 2 M

3. Expresamos en mol la cantidad de las sustancias que reaccionan. Puesto que conocemos las cantidades de los dos reactivos, lo más probable es que uno de ellos actúe de reactivo limitante; determinaremos cuál: g M [Ca(OH)2] = 40,1 + 2 ⋅ (16 + 1) = 74,1 mol • 6 g de Ca(OH)2 ⋅

1mol de Ca(OH)2 74,1 g de Ca(OH)2

• 100 ⋅ 10−3 L de HNO3 ⋅

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2 mol 1L

= 8,1 ⋅ 10−2 mol de Ca(OH)2

= 20 ⋅ 10−2 mol de HNO3

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SOLUCIONARIO

Determinamos el reactivo limitante teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción: 1mol de Ca(OH)2 20 ⋅ 10−2 mol de HNO3 ⋅ = 10 ⋅ 10−2 mol de Ca(OH)2 2 mol de HNO3 Esta cantidad es menor que los 8,1 ⋅ 10−2 moles que tenemos de esta sustancia. Por tanto, el reactivo limitante es Ca(OH)2. Sobra HNO3. Por tanto, tendremos un medio ácido. 11.

El formol (CH2O) es un compuesto que se utiliza para fabricar colas de madera. En la industria se obtiene haciendo reaccionar metanol (CH3OH) con oxígeno, en un proceso en el que también se forma agua. El rendimiento de la operación es del 92 %. a) Escribe la ecuación química de la reacción. b) Determina la masa de formol que se puede obtener a partir de 50 g de metanol. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. CH3OH 1 mol de metanol

1 O2 2

+ reacciona con

1/2 mol de oxígeno

→

CH2O

para dar

1 mol de formol

+ y

H2O 1 mol de agua

50 g

3. Expresamos en mol la cantidad de las sustancias que reaccionan. M(CH3OH) = 12 + 4 ⋅ 1 + 16 = 32 g/mol → → 50 g de CH3OH ⋅

1mol de CH3OH 32 g de CH3OH

= 1,56 mol de CH3OH

4. La estequiometría de la reacción permite calcular las cantidades de las otras sustancias que intervienen: 1 mol de CH2O 1,56 mol de CH3OH ⋅ = 1,56 mol de CH2O 1mol de CH3OH M(CH2O) = 12 + 2 ⋅ 1 + 16 = 30 g/mol → → 1,56 mol de CH2O ⋅

30 g de CH2O 1 mol de CH2O

= 4,68 g de CH2O

Esta es la cantidad que se obtendría si el proceso fuese con un rendimiento del 100 %. Como no es así, calculamos la cantidad real: 92 g reales 4,68 g de CH2O teórico ⋅ = 4,31 g de CH2O real 100 g teórico

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En uno de los pasos para la fabricación del ácido sulfúrico se hace reaccionar dióxido de azufre con oxígeno para producir trióxido de azufre. En una ocasión se mezclaron 11 L de dióxido de azufre a 1,2 atm y 50 °C con oxígeno y se formaron 30 g de trióxido de azu fre. Determina el rendimiento de la reacción y las moléculas de oxígeno que han debido reaccionar. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. +

1 O2 2

reacciona con

1/2 mol de oxígeno

SO2 1 mol de dióxido de azufre

→

SO3

para dar

1 mol de trióxido de azufre

11 L, 1,2 atm y 50 ºC

30 g

3. Expresamos en mol la cantidad de las sustancias que reaccionan. Como el SO2 es un gas, utilizamos la ecuación: PV = nRT → →n=

PV = RT

1,2 atm ⋅ 11 L 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K

= 0,5 mol de SO2

⋅ (273 + 50) K

La estequiometría de la reacción permite calcular los moles de SO3 que se obtendrían como máximo a partir de esta cantidad: 0,5 mol SO2 → 0,5 mol SO3 M (SO3) = 32 + 3 ⋅ 16 = 80 g/mol → → 0,5 mol de SO3 ⋅

80 g de SO3 1 mol de SO3

= 40 g de SO3

Como se obtiene una cantidad inferior, determinamos el rendimiento del proceso: Rto. =

30 g reales ⋅ 100 = 75% 40 g teóricos

Para calcular las moléculas de oxígeno que han reaccionado, debemos calcular los moles utilizando la estequiometría de la reacción: 0,5 mol de SO2 ⋅ = 0,25 mol de O2 ⋅

0,5 mol de O2 1 mol de SO2

6, 022 ⋅ 1023 moléculas

1 mol 23 = 1,5 ⋅ 10 moléculas de O2

160

= =

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SOLUCIONARIO

13.

El butano (C4H10) es uno de los combustibles más utilizados en el ámbito doméstico. Se quema por acción del oxígeno del aire formando dióxido de carbono y agua. Cada vez que se quema 1 mol de butano se desprenden 2878 kJ. Calcula: a) La cantidad de energía que se obtiene cuando se queman los 12,5 kg de butano de una bombona. b) Los moles de CO2 que se vierten a la atmósfera cada vez que se quema una bombona de butano. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. Tenemos en cuenta la energía que se desprende. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. C4H10

+

1 mol de butano

reacciona con

13 O2 2

→

+

4 CO2

13/2 mol para 4 mol de de oxígeno dar dióxido de carbono

y

+

5 H2O 5 mol y de agua

12 kg

Energía 2878 kJ

30 g

3. Expresamos en mol la cantidad de butano de una bombona y calculamos la energía que se obtiene por su combustión: M (C4H10) = 4 ⋅ 12 + 10 ⋅ 1 = 58 g/mol → → 12 ⋅ 10 3 g de C4H10 ⋅

1mol de C4H10 58 g de C4H10

→ 207 mol de C4H10 ⋅

= 207 mol de C4H10 →

2878 kJ 1 mol de C4H10

= 595 ⋅ 10 3 kJ

4. La estequiometría nos permite calcular los moles que se vierten a la atmósfera: 207 mol de C4H10 ⋅

14.

4 mol de CO2 1 mol de C4H10

= 828 mol de CO2

Para cocer unos huevos necesitamos 1700 kJ. Calcula qué masa de butano (C4H10) se debe utilizar para esta operación si por cada mol de butano que se quema se desprenden 2878 kJ y al cocinar se aprovecha el 60 % de la energía. 1. Como en el ejercicio anterior, escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. Tenemos en cuenta la energía que se desprende.

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6 La reacción química 13 O2 2

C4H10

+

1 mol de butano

reacciona con

→

+

4 CO2

13/2 mol para 4 mol de de oxígeno dar dióxido de carbono

y

+

5 H2O

Energía

5 mol y de agua

12 kg

2878 kJ

30 g

2. Teniendo en cuenta la eficiencia del proceso, calculamos la cantidad de energía que debemos obtener por combustión del butano. 100 kJ teróricos 1700 kJreales ⋅ = 2833 kJ reales 60 kJreales 3. La estequiometría nos permite calcular la cantidad de butano, en mol, que se precisa; finalmente calcularemos su equivalente en gramos: 2833 kJ ⋅

1mol de C4H10 2878 kJ

= 0,98 mol de C4H10 →

→ M (C4H10) = 4 ⋅ 12 + 10 ⋅ 1 = 58 g/mol → → 0,98 mol de C4H10 ⋅

15.

58 g de C4H10 1 mol de C4H10

= 57 g de C4H10

Cuando el Pb(NO3)2 reacciona con KI, se obtiene un precipitado amarillo de PbI2 y otra sustancia. A 100 mL de una disolución 1,5 M en KI se añaden 16 g de Pb(NO3)2 disueltos en agua hasta tener un volumen de 50 mL de disolución. Calcula la cantidad de precipitado amarillo que se obtendrá. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. Pb(NO3)2

+

2 KI

1 mol de reacciona 2 mol de nitrato de con yoduro plomo (II) de potasio 16 g

→

PbI2

+

2 KNO3

para dar

1 mol de yoduro de plomo (II)

y

2 mol de nitrato de potasio

100 mL, 1,5 M

3. Expresamos en mol la cantidad de las sustancias que reaccionan. Puesto que conocemos las cantidades de los dos reactivos, lo más probable es que uno de ellos actúe de reactivo limitante; determinaremos cuál. M [Pb(NO3 )2] = 207,2 + 2 ⋅ 14 + 6 ⋅ 16 = 331,2

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g mol

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SOLUCIONARIO

0,1L de KI ⋅

1,5 mol 1L

→ 16 g de Pb(NO3 )2 ⋅

= 0,15 mol de KI → 1mol de Pb(NO3 )2 331,2 g de Pb(NO3 )2

=

= 0,048 mol de Pb(NO3 )2 Determinamos el reactivo limitante teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción: 2 mol de KI 0,048 mol de Pb(NO3 )2 ⋅ = 0,096 mol de KI 1 mol de Pb(NO3 )2 Esta cantidad es menor que los 0,15 mol que tenemos de esta sustancia. Por tanto, el reactivo limitante es Pb(NO3)2. 4 Calculamos la cantidad de sustancia que se obtiene a partir de la cantidad existente del reactivo limitante. La estequiometría de la reacción permite determinarla. De acuerdo con la estequiometría, se obtiene el mismo número de moles de PbI2 que de Pb(NO3)2 que han reaccionado; en este caso, 0,048 mol. Calculamos la masa equivalente a esa cantidad: M (PbI2) = 207,2 + 2 ⋅ 126, 9 = 461 461 g de PbI2

→ 0,048 mol de PbI2 ⋅

16.

1 mol de PbI2

g mol

= 22,13 g de PbI2

Ajusta las siguientes ecuaciones químicas e identifica el tipo de reacción: a) NaClO3 → NaCl + O2 b) HNO3 + Fe → H2 + Fe(NO3)2 c) KI + Pb(NO3)2 → PbI2 + KNO3 a) NaClO3 → NaCl +

d) C + O2 → CO2 e) Ca(HCO3)2 → CaCO3 + CO2 + H2O

3 O2 → Reacción de descomposición. 2

b) 2 HNO3+ Fe → H2 + Fe(NO3)2 → Reacción de sustitución. c) 2 KI + Pb(NO3)2 → PbI2 + 2 KNO3 → Reacción de doble sustitución. d) C(s) + O2 → CO2 → Reacción de combustión o de síntesis. e) Ca(HCO3)2→ CaCO3 + CO2 + H2O → Reacción de descomposición. 17.

Ajusta las siguientes reacciones y determina si son de transferencia de protones o de electrones. Indica, en cada caso, cuál es la especie que cede protones o electrones y cuál es la que los acepta: a) NaOH + NaHCO3 → Na2CO3 + H2O

c) HCl + Al → AlCl3 + H2

b) CO2 + C → CO

d) HCl + Be(OH)2 → BeCl2 + H2O

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6 La reacción química a) NaOH + NaHCO3 → Na2CO3 + H2O → Reacción de transferencia de protones. Los cede el NaHCO3 y los acepta el NaOH. b) CO2 + C → 2 CO → Reacción de transferencia de electrones. Los cede: C y los acepta: CO2. c) 3 HCl + Al → AlCl3 + 3/2 H2 → Reacción de transferencia de electrones. Los cede: Al y los acepta: H+. d) 2 HCl + Be(OH)2 → BeCl2 + 2 H2O → Reacción de transferencia de protones. Los cede: HCl y los acepta: Be(OH)2. 18.

El Cu reacciona con una sal de Ag1+ dando una sal de Cu2+ y Ag. Razona por qué la ecuación química ajustada de este proceso tiene que ser: Cu (s) + 2 Ag1+ (aq) → 2 Ag + Cu2+ (aq ) Porque cuando Cu(s) → Cu2+(aq) pierde 2 e−. Como cada ion plata solo capta 1 e−, hacen falta dos iones Ag para completar el proceso (2 Ag1+(aq) → 2 Ag).

19.

La teoría de las colisiones dice que para que se produzca una reacción las partículas de los reactivos deben chocar. ¿Cómo debe ser el choque para que resulte eficaz? Debe tener energía suficiente y la orientación adecuada.

20.

Completa el dibujo con las palabras adecuadas: • • • •

Reactivos Energía de activación Proceso endotérmico Productos

• Estado de transición • Energía de la reacción • Proceso exotérmico.

Estado de transición Reactivos Energía de reacción

Energía de activación Productos

Proceso exotérmico

21.

Estado de transición Energía de activación Reactivos

Productos Energía de reacción

Proceso endotérmico

Explica de dónde procede la energía que se desprende en los procesos exotérmicos. Se debe a que la energía que se desprende en la formación de los nuevos enlaces en los productos es mayor que la que se necesita para romper los enlaces en los reactivos.

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SOLUCIONARIO

22.

Tanto el aumento de la temperatura de los reactivos como la presencia de un catalizador positivo reducen la energía de activación de un proceso. ¿Actúan de la misma manera? No. El aumento de temperatura aumenta el nivel energético de los reactivos y, en consecuencia, disminuye la energía de activación del proceso en que los reactivos se transforman en productos. El catalizador positivo rebaja el nivel energético del estado de transición y, en consecuencia, disminuye la energía de activación, tanto para el paso de reactivos a productos como a la inversa.

23.

¿Qué se entiende por velocidad de reacción? ¿En qué unidades se puede medir? La cantidad de sustancia que se transforma por unidad de tiempo, bien porque desaparece (caso de los reactivos) o porque se forma (caso de productos). Se suele medir en forma de concentración y las unidades son M/s o (mol/L)/s.

24.

¿Cómo es posible que algunos catalizadores disminuyan la velocidad de una reacción si no cambian la energía de los reactivos ni la de los productos? Porque rebajan el nivel energético del estado de transición.

25.

Indica cuáles de las siguientes reacciones son procesos exotérmicos y cuáles endotérmicos: a) La coagulación de las proteínas que se produce al cocer un huevo. b) La descomposición del carbonato de calcio que se produce cuando se calienta. c) La combustión del butano que se produce cuando le acercamos una cerilla. d) La fermentación del vino. a) Endotérmico. Hay que calentar para que se produzca la coagulación. b) Endotérmico. Hay que calentar para que se produzca la descomposición. c) Exotérmico. Aunque hay que iniciarlo con una cerilla; en el proceso de combustión se desprende calor. d) Exotérmico. El proceso desprende calor.

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Cuando se calienta, el monóxido de carbono gaseoso se descompone en gas oxígeno y carbono, que se deposita en forma de pequeñas partículas de carbonilla. Para que la reacción tenga lugar hay que aportar 110 kJ de energía por cada mol de monóxido de carbono. Dibuja el diagrama de avance de la reacción especificando los enlaces que se rompen y los que se forman. Respuesta: O C

O C Productos O=O

Reactivos

27.

C

O

=

=

O

C

—C—C— 115 kJ

Teniendo en cuenta cómo transcurren las reacciones químicas, da una razón científica que explique lo siguiente: a) Cuando la ropa está muy sucia, la lavamos en caliente. b) Cuando la ropa tiene manchas de grasa, aplicamos detergente sobre la mancha y frotamos. c) Nos podemos calentar con una hoguera, pero si no hay cerillas u otro modo de encenderla, la madera o el carbón no arden. d) Cocinar dos kilos de carne picada es mucho más rápido que asar un trozo de carne de dos kilos. e) Cuando hacemos la compra semanal, guardamos los alimentos en la nevera. a) Al calentar, aumentamos el nivel energético de los reactivos (detergente) y aumenta la velocidad de la reacción, con lo que el lavado es más eficaz. b) Aplicar el detergente sobre la mancha supone un aumento de la concentración de los reactivos en contacto, lo que aumenta la velocidad de la reacción. c) Para que se inicie la reacción es necesario vencer la energía de activación. Por eso empleamos cerillas para encender la hoguera. Una vez que se produjo la combustión, como es un proceso exotérmico, ya aporta por sí misma la energía de activación para que siga teniendo lugar. d) Al asar la carne se producen reacciones químicas. Si está picada, la superficie de contacto es mayor, y eso incrementa la velocidad de la reacción.

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SOLUCIONARIO

e) Los alimentos se descomponen con el tiempo porque en ellos se producen una serie de reacciones químicas. Al meterlos en la nevera rebajamos el nivel energético de los reactivos, con lo que se aumenta la energía de activación y disminuye la velocidad de la reacción. 28.

En los yacimientos metálicos, junto con el metal se suelen extraer otros materiales, como rocas, etc. Para analizar el contenido en metal de una muestra se le hace reaccionar con un ácido, que disuelve el metal y desprende gas hidrógeno. Por ejemplo, el análisis que permite determinar la cantidad de cinc en una muestra se basa en la reacción: Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2 Indica cuatro procedimientos para aumentar la velocidad de esta reacción. Aumentar la concentración del HCl; trocear el mineral en fragmentos pequeños; aumentar la temperatura; utilizar un catalizador positivo.

29.

Explica la diferencia entre una reacción química y una ecuación química. ¿Por qué hay que ajustar las ecuaciones químicas? Una ecuación química es un proceso en el que cambia la naturaleza de las sustancias que participan. La ecuación química es la representación simbólica de una ecuación química en la que se indican las fórmulas de los reactivos y de los productos y la proporción en la que intervienen. Hay que ajustar las ecuaciones químicas para indicar que la materia se conserva y, por tanto, todos los átomos de los reactivos deben aparecer en los productos.

30.

Escribe y ajusta la ecuación química de las estas reacciones: a) Cuando se hace reaccionar cobre metal con ácido sulfúrico se obtienen sulfato de cobre (II), dióxido de azufre y agua. b) De la electrolisis del cloruro de sodio y agua se obtienen los gases cloro e hidrógeno e hidróxido de sodio. a) Cu + 2 H2SO4 → CuSO4 + SO2 + 2 H2O b) 2 NaCl + H2O → Cl2 + H2 + 2 NaOH

31.

Ajusta las siguientes reacciones químicas y luego descríbelas con una frase: a) H2S (g) + O2 (g) → H2O (l) + SO2 (g) b) NaCl (s) + H2O (l) → NaOH (aq) + Cl2 (g) + H2 (g) c) NaBr (s) + H3PO4 (aq) → Na2HPO4 (aq) + HBr (g)

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6 La reacción química a) H2S (g) + 3/2 O2 (g) → H2O (l) + SO2 (g) 1 mol de sulfuro de hidrógeno reacciona con 3/2 mol de gas oxígeno para dar un mol de agua y un mol de dióxido de azufre. b) 2 NaCl (s) + H2O (l) → NaOH (aq) + Cl2 (g) + H2 (g) 2 mol de cloruro de sodio reaccionan con 1 mol de agua para dar 1 mol de hidróxido de sodio, un mol de gas cloro y 1 mol de gas hidrógeno. c) 2 NaBr (s) + H3PO4 (aq) → Na2HPO4 (aq) + 2 HBr (g) 2 mol de bromuro de sodio reaccionan con 1 mol de ácido fosfórico para dar 1 mol de hidrógenofosfato de sodio y 2 mol de bromuro de hidrógeno gaseoso. 32.

Ajusta las siguientes ecuaciones químicas e identifica el tipo de reacción: a) b) c) d) e)

BaBr2 + H3PO4 → Ba3(PO4)2 + HBr NH3 + HCl → NH4Cl 2 H2 + O2 → H2O Al + H2SO4 → Al2(SO4)3 + H2 NH3 → N2 + H2 a) 3 BaBr2 + 2 H3PO4 → Ba3(PO4)2 + 6 HBr. Reacción de doble sustitución. b) NH3 + HCl → NH4Cl. Reacción de combinación. c) 2 H2 + O2 → 2 H2O. Reacción de combinación. d) 2 Al + 3 H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3 H2. Reacción de sustitución. e) 2 NH3 → N2 + 3 H2. Reacción de descomposición.

33.

Ajusta las siguientes reacciones y determina si son de transferencia de protones o de electrones. Indica, en cada caso, cuál es la especie que cede protones o electrones y cuál es la que los acepta: a) b) c) d)

C (s) + O2 → CO2 HNO3 + Fe → H2 + Fe(NO3)2 HCl + NaHCO3 → NaCl + CO2 + H2O NH3 + H3PO4 → (NH4)3PO4 a) C(s) + O2 → CO2. Reacción de transferencia de electrones. Cede electrones el C y los capta el O2. b) 2 HNO3 + Fe → H2 + Fe(NO3)2. Reacción de transferencia de electrones. Cede electrones el Fe y los capta el H+. c) HCl + NaHCO3 → NaCl + CO2 + H2O. Reacción de transferencia de protones. Cede protones el HCl y los capta el NaHCO3. d) 3 NH3 + H3PO4 → (NH4)3PO4. Reacción de transferencia de protones. Cede protones el H3PO4 y los capta el NH3.

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SOLUCIONARIO

34.

Explica cómo se puede originar lluvia ácida por la combustión de derivados del petróleo. El petróleo contiene compuestos azufrados que, al quemarse, se transforman en SO2, un gas que va a la atmósfera. En las capas altas de la atmósfera, se puede combinar con el oxígeno dando SO3. Cuando esta sustancia entra en contacto con el agua da lugar al ácido sulfúrico: Derivados del petróleo + O2 → SO2 1 O2 → SO3 2 SO3 + H2O → H2SO4 SO2 +

35.

La aparición de coches que utilizan catalizador en los tubos de escape supuso un gran avance en la lucha contra la contaminación atmosférica. Explica a qué es debido. Evita que salgan a la atmósfera óxidos de nitrógeno, gases nocivos que, en la atmósfera, podrían seguir oxidándose y dando lugar a lluvia ácida. 2 NO (g) ↔ N2 (g) + O2 (g) 2 NO2 (g) ↔ N2 (g) + 2 O2 (g) Gracias al catalizador, lo que sale a la atmósfera es N2 y O2, gases que forman parte del aire que respiramos.

36.

Un modo de evitar la contaminación por SO 2 que se produce en las centrales térmicas consiste en colocar filtros con hidróxido de magnesio en las torres de salida de gases. Repasa la reacción que tiene lugar entre el SO 2 y el Mg(OH) 2 y justifica por qué evita la salida de gases contaminantes a la atmósfera. SO2 (g) + Mg(OH)2 → MgSO3 + H2O Cuando el SO2 gas reacciona con el hidróxido de magnesio, se forma una sal: el sulfito de magnesio. Este es un compuesto sólido que podemos tratar con lo que evitamos que salga a la atmósfera un gas nocivo.

37.

Cuando se calienta el carbonato de bario se desprende dióxido de carbono y queda un residuo de óxido de bario. Calcula: a) La cantidad de carbonato que se calentó si el dióxido de carbono que se obtuvo, recogido en un recipiente de 8 L a la temperatura de 150 °C, ejercía una presión de 2,5 atm. b) Los gramos de óxido de bario que se obtuvieron.

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6 La reacción química 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. +

BaCO3

→

calor

1 mol de carbonato de bario

CO2

para 1 mol de dióxido dar de carbono

+

BaO

y

1 mol de óxido de bario

8 L, 150 ºC, 2,5 atm

3. Expresamos en mol la cantidad de las sustancias que reaccionan. Como el CO2 es un gas, utilizamos la ecuación: PV = nRT → →n =

PV = RT

2,5 atm ⋅ 8 L 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K

= 0,58 mol de CO2

⋅ (273 + 150) K

4. La estequiometría de la reacción permite calcular las cantidades de las otras sustancias que intervienen: • 0,58 mol de CO2 ⋅

1mol de BaCO3 1 mol de CO2

= 0,58 mol de BaCO3

M (BaCO3) = 137, 3 + 12 + 3 ⋅ 16 = 197,3 g/mol → → 0,58 mol de BaCO3 ⋅

• 0,58 mol de CO2 ⋅

197,3 g de BaCO3 1 mol de BaCO3

1mol de BaO 1 mol de CO2

= 114,4 g de BaCO3

= 0,58 mol de BaO

M (BaO) = 137, 3 + 16 = 153,3 g/mol → → 0,58 mol de BaO ⋅

38.

153,3 g de BaO 1 mol de BaO

= 88,9 g de BaO

Cuando se hace reaccionar amoniaco con oxígeno se obtiene monóxido de nitrógeno y agua. a) Escribe la reacción teniendo en cuenta que todas las sustancias están en estado gaseoso. b) Determina el volumen de oxígeno, medido en condiciones normales, que se necesita para que reaccione totalmente con 50 g de amoniaco. c) Calcula las moléculas de monóxido de nitrógeno que se obtendrán. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos.

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SOLUCIONARIO

2 NH3 (g)

+

→

5/2 O2(g)

+ 3 H2O(g)

2 NO(g)

2 mol de reacciona 5/2 mol para 2 mol de monóxido amoniaco con de oxígeno dar de nitrógeno

y

3 mol de agua

50 g

3. Expresamos en mol la cantidad de las sustancias que reaccionan. M (NH3) = 14 + 3 ⋅ 1 = 17 g/mol → → 50 g de NH 3 ⋅

1mol de NH3 17 g de NH3

= 2,94 mol de NH3

4. La estequiometría de la reacción permite calcular las cantidades de las otras sustancias que intervienen: b) 2,94 mol de NH3 ⋅

5/2 mol de O2 2 mol de NH3

= 3,68 mol de O2

Teniendo en cuenta que 1 mol de cualquier gas ocupa 22,4 L en condiciones normales: 3,68 mol de O2 ⋅

22,4 L 1 mol

= 82,3 L de O2

c) Según la estequiometría de la reacción, se obtendrá el mismo número de moles de NO que han reaccionado de NH3: 2,94 mol de NO ⋅

6, 022 ⋅ 1023 moléculas

1 mol = 1,77 ⋅ 1024 moléculas de NO

39.

=

Habitualmente el carbono reacciona con el oxígeno para dar dióxido de carbono. Pero cuando no hay oxígeno suficiente la reacción produce monóxido de carbono, un gas venenoso que puede ocasionar la muerte. a) Escribe la reacción en la que el carbono se transforma en dióxido de carbono y en monóxido de carbono. b) Calcula las moléculas de monóxido de carbono y de dióxido de carbono que se obtendrían si 1 kg de carbono se transformase íntegramente en cada una de esas sustancias. c) Halla la presión que ejercería el monóxido o el dióxido de carbono que has calculado en el apartado anterior si la combustión señalada se produce en una habitación de 3 m × 4 m × 2,5 m que se encuentra a 25 °C. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos.

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6 La reacción química +

C (s) 1 mol de carbono

→

O2 (g)

reacciona con

1 mol de oxígeno

para dar

CO2 (g) 1 mol de dióxido de carbono

1 kg 1 O2 (g) 2

+

C (s) 1 mol de carbono

reacciona con

→

1/2 mol de oxígeno

para dar

CO2 (g) 1 mol de monóxido de carbono

1 kg

3. Expresamos en mol la cantidad de las sustancias que reaccionan. 10 3 g de C ⋅

1mol de C 12 g de C

= 83,33 mol de C

4. La estequiometría de la reacción permite calcular las cantidades de las otras sustancias que intervienen: Para la primera reacción: 83,33 mol de C ⋅

1mol de CO2 1 mol de C

= 83,33 mol de CO2

Para la segunda reacción: 83,33 mol de C ⋅

1mol de CO 1 mol de C

= 83,33 mol de CO

Como se obtiene el mismo número de moles de CO2 que de CO, habrá el mismo número de moléculas de cada una y ejercerán la misma presión en las mismas condiciones. Haremos el cálculo para una de ellas, CO: 83,33 mol de CO ⋅

6, 022 ⋅ 1023 moléculas

1 mol = 5, 02 ⋅ 1025 moléculas de CO

=

PV = nRT → →P =

40.

172

nRT = V

83,33 mol ⋅ 0, 082

atm ⋅ L

⋅ (273 + 25) K mol ⋅ K = 3 ⋅ 4 ⋅ 2,5) ⋅ 10 3 L (3 = 6, 8 ⋅ 10−2 atm

Cuando una persona sufre intoxicación por monóxido de carbono se le aplica oxígeno para que transforme el monóxido en dióxido de carbono, ya que este gas no resulta venenoso. A una persona se le ha administrado el oxígeno que se encuentra en una bombona

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SOLUCIONARIO

de 2 L, a 3 atm de presión y a 25 °C. Calcula el volumen de monóxido de carbono que ha reaccionado y el volumen de dióxido de carbono que se ha obtenido si ambos estaban a 1 atm y a 25 °C. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. 1 O2 (g) 2

+

CO (g)

1 mol de monóxido reacciona de carbono con

1/2 mol de oxígeno

1 atm, 25 ºC

2 L, 3 atm, 25 ºC

→

CO2 (g)

para dar

1 mol de dióxido de carbono 1 atm, 25 ºC

3. Expresamos en mol la cantidad de las sustancias que reaccionan. Como el O2 es un gas, utilizamos la ecuación:

PV = nRT → →n=

PV = RT

3 atm ⋅ 2 L 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K

= 0,25 mol de O2

⋅ (273 + 25) K

4. La estequiometría de la reacción permite calcular las cantidades de las otras sustancias que intervienen. Como el número de moles de CO2 que se obtiene es el mismo que había de CO, haremos el cálculo para uno de ellas, CO. 0,25 mol de O2 ⋅

1mol de CO2 0,5 mol de O2

= 0,125 mol de CO2

En ambos casos, el volumen de gas que se obtiene es: nRT V= = P

41.

0,125 mol ⋅ 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K 3 atm

⋅ (273 + 25) K = 1,02 L

La gasolina incluye en su composición octano (C8H18), un compuesto que se quema con el oxígeno del aire dando dióxido de carbono y agua. a) Escribe la ecuación química de la reacción que se produce. b) Calcula el volumen de oxígeno, en condiciones normales, que se necesita para quemar 1 litro de gasolina de densidad 0,8 g/mL. c) Calcula el volumen de dióxido de carbono que se desprenderá, medido en condiciones normales. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos.

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6 La reacción química +

C8H18 1 mol de octano

25/2 O2

reacciona 25/2 mol con de oxígeno

→

8 CO2

+

9 H2O

para dar

8 mol de dióxido de carbono

y

9 mol de agua

1 L, 0,8 g/mL

3. Expresamos en mol la cantidad de gasolina equivalente a 1 L; utilizamos el dato de la densidad: 10 3 mL de C8H18 ⋅

0,8 g de C8H18 1 mL de C8H18

= 800 g de C8H18

M (C8H18) = 8 ⋅ 12 + 18 ⋅ 1 = 114 g/mol → → 800 g de C8H18 ⋅


= 7,02 mol de C8H18

4. La estequiometría nos permite calcular los moles de oxígeno que se necesitan. Como está en condiciones normales, calcularemos el volumen equivalente. De forma similar, calcularemos el CO2 que se vierte a la atmósfera: b) 7,02 mol de C8H18 ⋅ → 87,7 mol de O 2 ⋅

c) 7,02 mol de C8H18 ⋅

25/2 mol de O2 1 mol de C8H18 22,4 L 1 mol

42.

= 1, 97 ⋅ 10 3 L de O2


→ 56,2 mol de CO2 ⋅

22,4 L 1 mol

= 87,7 mol de O2 →

= 56,2 mol de CO2 →

= 1,258 ⋅ 10 3 L de CO2

El gas cloro se obtiene en la industria por electrolisis de una disolución acuosa de cloruro de sodio (agua de mar). La reacción (sin ajustar) es la siguiente: NaCl + H2O → NaOH + Cl2 (g) + H2 (g) a) ¿Qué volumen de cloro, medido en condiciones normales, se obtendrá si se utilizan 2,5 kg de cloruro de sodio? b) ¿Cuántos kg de NaOH se obtendrán? 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos.

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SOLUCIONARIO

2 NaCl

+

→

2 H2O

2 NaOH

+

2 mol de reaccion 2 mol para 2 mol de y cloruro a con de agua dar hidróxido de sodio de sodio

Cl2 (g)

+

1 mol y de cloro

H2 (g) 1 mol de hidrógeno

2,5 kg

3. Expresamos en mol la cantidad de NaCl: M (NaCl) = 23 + 35,5 = 58,5 g/mol → 1mol de NaCl

→ 2,5 ⋅ 10 3 g de NaCl ⋅

58,5 g de NaCl

= 42,74 mol de NaCl

4. La estequiometría nos permite calcular los moles de cloro que se obtienen. Como está en condiciones normales, calcularemos el volumen equivalente. a) 42,74 mol de NaCl ⋅ → 21,37 mol Cl2 ⋅

1mol de Cl2 2 mol de NaCl

22,4 L 1 mol

= 21,37 mol de Cl2 →

= 4,79 ⋅ 102 L Cl2

b) De forma similar, calculamos la masa de NaOH que se obtiene: 42,74 mol de NaCl ⋅

2 mol de NaOH 2 mol de NaCl

= 42,74 mol de NaOH

M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 g/mol → → 42,74 mol de NaOH ⋅

40 g de NaOH 1 mol de NaOH

=

= 1,71 ⋅ 10 3 g de NaOH = 1,71kg de NaOH

43.

El carburo de silicio (SiC) es un abrasivo industrial que se obtiene haciendo reaccionar dióxido de silicio con carbono. Como producto de la reacción se obtiene, además, monóxido de carbono. a) Escribe la ecuación química ajustada de la reacción. b) Calcula la masa de carbono que debe reaccionar para producir 25 kg de SiC. c) Calcula la presión que ejercerá el monóxido de carbono que se obtiene si se recoge en un recipiente de 10 L a 50 °C. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos.

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6 La reacción química 3C

→

3 mol de carbono

para dar

+

SiO2 1 mol de dióxido de silicio

reacciona con

+

SiC 1 mol de carburo de silicio

y

25 kg

2 CO 2 mol de monóxido de carbono 10L, 50 ºC

3. Expresamos en mol la cantidad de SiC: M(SiC) = 28,1 + 12 = 40,1 g/mol → → 2,5 ⋅ 10 3 g de SiC ⋅

1mol de SiC 40,1 g de SiC

= 62,34 mol de SiC

4. La estequiometría nos permite calcular los moles de carbono que deben reaccionar para obtener esa cantidad de SiC: 3 mol de C 62,34 mol de SiC ⋅ = 187 mol de C → 1 mol de SiC → 187 mol de C ⋅

12 g de C 1 mol de C

= 2,24 ⋅ 10 3 g de C

Utilizando la proporción estequiométrica, calculamos los moles que se obtienen de CO. Las leyes de los gases nos permitirán calcular la presión que ejerce en esas circunstancias: 2 mol de CO 62,34 mol de SiC ⋅ = 124,7 mol de CO 1 mol de SiC

PV = nRT → nRT →P = = V

44.

124,7 mol ⋅ 0, 082

atm ⋅ L

mol ⋅ K 10 L = 330,2 atm

⋅ (273 + 50) K =

Una roca caliza contiene un 70 % de carbonato de calcio, sustancia que, al calentarse, desprende dióxido de carbono y óxido de calcio. Determina el volumen de dióxido de carbono, medido en condiciones normales, que se producirá cuando se calcinen 25 kg de roca caliza. ¿Cuántos kg de óxido de calcio se producirán? 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. CaCO3 1 mol de carbonato de calcio 25 kg, 70 %

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+ calor

→

CO2

+

CaO

para dar


y

1 mol de óxido de calcio

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SOLUCIONARIO

3. Expresamos en mol la cantidad de las sustancias que reaccionan. De entrada, hay que determinar la masa de CaCO3 que hay en los 25 kg de roca caliza: 70 g de CaCO3 25 ⋅ 10 3 g de caliza ⋅ = 17,5 ⋅ 10 3 g de CaCO3 100 g de caliza M (CaCO3) = 40,1 + 12 + 3 ⋅ 16 = 100,1 g/mol → → 17,5 ⋅ 10 3 g de CaCO3 ⋅

1mol de CaCO3 100,1 g de CaCO3

=

= 174,8 mol de CaCO3 4. La estequiometría de la reacción permite calcular las cantidades de las otras sustancias que intervienen: a) El número de moles de CO2 que se obtienen coincide con el de CaCO3 que reaccionan. Como es un gas, calcularemos el volumen en condiciones normales: 22,4 L 174,8 mol de CO2 ⋅ = 3, 92 ⋅ 10 3 L de CO2 1 mol b) El número de moles de CaO que se obtienen coincide con el de CaCO3 que reaccionan. Su masa molar nos permitirá conocer el equivalente en masa: M(CaO) = 40,1 + 16 = 56,1 g/mol → → 174,8 mol CaO ⋅

56,1 g de CaO 1 mol de CaO

=

= 9, 8 ⋅ 10 3 g de CaO = 9,8 kg de CaO 45.

Para determinar la riqueza en magnesio de una aleación se toma una muestra de 2,83 g de la misma y se la hace reaccionar con oxígeno en unas condiciones en las que solo se obtienen 3,6 g de óxido de magnesio. ¿Cuál será el porcentaje de magnesio en la aleación? 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. Mg (s)

+

1 O2 (g) 2

1 mol de magnesio reacciona con

1/2 mol de oxígeno

2,83 g de muestra

2 L, 3 atm, 25 ºC

→

MgO (s)

para 1 mol de óxido dar de magnesio 3,6 g

3. Expresamos en mol la cantidad de MgO que se obtiene: M(MgO) = 24, 3 + 16 = 40,3 g/mol → → 3,6 g de MgO ⋅

1mol de MgO 40, 3 g de MgO

= 8, 9 ⋅ 10−2 mol de MgO

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6 La reacción química 4. La estequiometría de la reacción permite calcular la cantidad de magnesio que ha debido reaccionar 1mol de Mg 0,089 mol de MgO ⋅ = 0,089 mol de Mg 1 mol de MgO Calculamos el equivalente en gramos y esa será la cantidad de Mg que hay en la muestra. El resultado nos permite calcular el porcentaje de magnesio en la aleación: 24,3 g de Mg 0,089 mol de Mg ⋅ = 2,16 g de Mg → 1 mol de Mg →

46.

2,16 g de Mg ⋅ 100 = 76,4% de Mg en la aleación 2,83 g de muestra

El butano (C4H10) arde por acción del oxígeno dando dióxido de carbono y agua. ¿Qué volumen de aire, a 1 atm de presión y 25 °C, se necesita para reaccionar con 2,5 kg de butano? Dato: el aire tiene un 20 % en volumen de oxígeno. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. C4H10

+

13 O2 2

1mol de reacciona 13/2 mol butano con de oxígeno 2,5 kg

→

4 CO2

+

5 H2O

para dar


y

5 mol de agua

1 atm, 25 ºC

3. Expresamos en mol la cantidad de butano. M (C4H10) = 4 ⋅ 12 + 10 ⋅ 1 = 58 g/mol → → 2,5 ⋅ 10 3 g de C4H10 ⋅


= 43,1 mol de C4H10

4. La estequiometría de la reacción permite calcular los moles de oxígeno que intervienen. Como es un gas, la ley de los gases permiten determinar el volumen que ocuparan en las condiciones del problema: 13 mol de O2 2 43,1 mol de C4H10 ⋅ = 280 mol de O2 1 mol de C4H10

PV = nRT → atm ⋅ L 280 mol ⋅ 0, 082 ⋅ (273 + 25) K nRT mol ⋅ K →V = = = P 1 atm = 6, 85 ⋅ 10 3 L de O2

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SOLUCIONARIO

La proporción de oxígeno en el aire nos permite calcular el volumen de aire que se precisa: 100 L de aire 6, 85 ⋅ 10 3 L de O2 ⋅ = 34,23 ⋅ 10 3 L de aire 20 L de O2 47.

El P4 (g ) reacciona con el Cl2 (g ) para dar PCl3 (g ). En un recipiente de 15 L que contiene Cl2 en condiciones normales se introducen 20 g de fósforo y se ponen en condiciones de reaccionar. ¿Cuál es la máxima cantidad de tricloruro de fósforo que se puede obtener? Determina la presión que ejercerá si se recoge en el recipiente de 15 L a 50 °C. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. 1 P4 2 1/2 mol de fósforo

+

→

3 Cl2

reacciona con

3 mol de cloro

20 g

para dar

15 L en c.n.

2 PCl3 (g) 2 mol de tricloruro de fósforo 15 L, 50 ºC

3. Expresamos en mol la cantidad de las sustancias que reaccionan. Puesto que conocemos las cantidades de los dos reactivos, lo más probable es que uno de ellos actúe de reactivo limitante; determinaremos cuál: M (P4) = 4 ⋅ 31 = 124 → 20 g de P4 ⋅ 15 L de Cl2 ⋅

1mol de P4 124 g de P4

1mol de Cl2 22,4 L de Cl2

g → mol

= 0,16 mol de P4 = 0,67 mol de Cl2

Determinamos el reactivo limitante teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción: 3 mol de Cl2 0,16 mol de P4 ⋅ = 0,96 mol de Cl2 1 mol de P4 2 Esta cantidad es mayor que los 0,67 mol que tenemos de esta sustancia. Por tanto, el reactivo limitante es Cl2. 4. Calculamos la cantidad de tricloruro de fósforo que se obtiene a partir de la cantidad existente del reactivo limitante. La estequiometría de la reacción permite determinarla: 2 mol de PCl3 0,67 mol de Cl2 ⋅ = 0,45 mol de PCl3 3 mol de Cl2

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6 La reacción química Utilizando las leyes de los gases, determinamos la presión que ejerce en las condiciones del problema: PV = nRT → nRT →P = = V

48.

0,45 mol ⋅ 0, 082

atm ⋅ L

mol ⋅ K 15 L = 0,79 L de PCl3

⋅ (273 + 50) K =

Cuando el cloruro de calcio reacciona con carbonato de sodio se obtiene un precipitado blanco de carbonato de calcio y otra sustancia. Si se mezclan 20 mL de una disolución 5 M en Na2CO3 con 30 mL de disolución 4 M en CaCl2, calcula la cantidad de precipitado blanco que se obtendrá. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. Na2CO3

→

CaCO3

1 mol de carbonato de sodio

para dar

1 mol de carbonato de calcio

+

CaCl2 1 mol de cloruro de calcio

reacciona con

30 mL, 4 M

+ y

2 NaCl 2 mol de cloruro de sodio

20 mL, 5 M

3. Expresamos en mol la cantidad de las sustancias que reaccionan. Puesto que conocemos las cantidades de los dos reactivos, lo más probable es que uno de ellos actúe de reactivo limitante; determinaremos cuál: 30 ⋅ 10−3 L de CaCl2 ⋅

4 mol 1L

→ 20 ⋅ 10−3 L de Na2CO3 ⋅

= 0,12 mol de CaCl2 →

5 mol 1L

= 0,1mol de Na2CO3

La estequiometría de la reacción indica que interviene el mismo número de moles de cada uno de los reactivos. En consecuencia, el reactivo limitante es el Na2CO3. 4. El precipitado blanco es el CaCO3; calculamos la cantidad de sustancia que se obtiene a partir de la cantidad existente del reactivo limitante. La estequiometría de la reacción dice que se obtendrá el mismo número de moles que de Na2CO3: M (CaCO3) = 40,1 + 12 + 3 ⋅ 16 = 100,1 → 0,1 mol de CaCO3 ⋅

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100,1 g de CaCO3 1 mol de CaCO3

g → mol

= 10 g de CaCO3

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SOLUCIONARIO

49.

El primer paso en la fabricación del ácido nítrico consiste en la oxidación del amoniaco, proceso que representamos por medio de la ecuación (sin ajustar): NH3 (g) + O2 (g) → NO (g) + H2O (g) En un recipiente se introducen 25 L de amoniaco y 50 L de oxígeno medidos ambos en condiciones normales. Determina los gramos de cada una de las sustancias que tendremos al final del proceso. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. 5 O2 (g ) 2

2 NH3 (g )

+

2 mol de amoniaco

reacciona con

25 L, C.N.

5/2 mol de oxígeno

→

2 NO (g)

+

3 H2O (g )

para dar

2 mol de monóxido de nitrógeno

y

3 mol de agua

50 L, C.N.

3. Expresamos en mol la cantidad de las sustancias que reaccionan; lo haremos teniendo en cuenta que son gases en condiciones normales. Puesto que conocemos las cantidades de los dos reactivos, lo más probable es que uno de ellos actúe de reactivo limitante; determinaremos cuál: 25 L de NH3 ⋅ 50 L de O2 ⋅

1mol 22,4 L 1mol 22,4 L

= 1,17 mol de NH3 = 2,23 mol de O2

Determinamos el reactivo limitante teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción: 5/2 mol de O2 1,17 mol de NH3 ⋅ = 1,46 mol de O2 2 mol de NH3 Esta cantidad es menor que los 2,23 moles que tenemos de esta sustancia. Por tanto, el reactivo limitante es NH3. 4. Calculamos la cantidad de cada una de las sustancias que se obtienen a partir de la cantidad existente del reactivo limitante. Para cada una, calculamos el equivalente en g por medio de su masa molar. a) 1,17 mol de NH3 ⋅

2 mol de NO 2 mol de NH3

= 1,17 mol de NO

M (NO) = 14 + 16 = 30 → 1,17 mol de NO ⋅

30 g de NO 1 mol de NO

g → mol = 35,1 g de NO

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6 La reacción química b) 1,17 mol de NH3 ⋅

3 mol de H2O 2 mol de NH3

= 1,75 mol de H2O

M (H2O) = 2 ⋅ 1 + 16 = 18 18 g de H2O

→ 1,75 mol de H2O ⋅

1 mol de H2O

g → mol = 31,6 g de H2O

c) Cantidad de O2 que no ha reaccionado: 2,23 mol − 1,46 mol = 0,77 mol Entonces: M (O2) = 2 ⋅ 16 = 32 → 0,77 mol de O2 ⋅

50.

g → mol

32 g de O2 1 mol de O2

= 24,6 g de O2

El aluminio reacciona con el ácido sulfúrico dando sulfato de aluminio e hidrógeno. Se hacen reaccionar 5 g de aluminio con 40 mL de H2SO4 1,25 M. ¿Cuántos gramos de hidrógeno se obtendrán como máximo? 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. 2Al

+

→

3 H2SO4

2 mol de reacciona aluminio con

3 mol de ácido para sulfúrico dar

5g

40 mL, 1,25 M

Al2(SO4)3

+

3 H2 (g)

1 mol de sulfato de aluminio

y

3 mol de hidrógeno

3. Puesto que conocemos las cantidades de los dos reactivos, lo más probable es que uno de ellos actúe de reactivo limitante; determinaremos cuál: 1mol de Al 5 g de Al ⋅ = 0,19 mol de Al 27 g de Al 40 ⋅ 10−3 L de H2SO4 ⋅

1,25 mol 1L

= 0,05 mol de H2SO4

Determinamos el reactivo limitante teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción: 3 mol de H2SO4 0,19 mol de Al ⋅ = 0,28 mol de H2SO4 2 mol de Al Esta cantidad es mayor que los 0,05 moles que tenemos de esta sustancia. Por tanto, el reactivo limitante es H2SO4.

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SOLUCIONARIO

4. La cantidad máxima de hidrógeno que se puede obtener es la que permite la cantidad existente del reactivo limitante. La estequiometría determina que se obtendrá el mismo número de moles de hidrógeno que de ácido sulfúrico. A partir de ella y de su masa molar obtendremos su equivalente en gramos: 0,05 mol de H2 ⋅

51.

2 g de H2

= 0,1 g de H2

1 mol de H2

Sabemos que cuando un ácido reacciona con una base neutralizan sus efectos. ¿Será suficiente añadir 18 g de hidróxido de aluminio a 200 mL de una disolución de ácido sulfúrico 1,5 M para tener un medio neutro? Determina si después de la reacción tenemos un medio ácido o básico. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. +

2 Al(OH)3 2 mol de hidróxido de aluminio

3 H2SO4

reacciona 3 mol de ácido con sulfúrico

18 g

→

Al2(SO4)3

+

6 H2O

para dar

1 mol de sulfato de aluminio

y

6 mol de agua

200 mL, 1,5 M

3. Expresamos en mol la cantidad de las sustancias que reaccionan. Puesto que conocemos las cantidades de los dos reactivos, lo más probable es que uno de ellos actúe de reactivo limitante; determinaremos cuál: M [Al(OH)3] = 27 + 3 ⋅ (16 + 1) = 78 → 18 g de Al(OH)3 ⋅

1mol de Al(OH)3 78 g de Al(OH)3

200 ⋅ 10−3 L de H2SO4 ⋅

1,5 mol 1L

g → mol

= 0,23 mol de Al(OH)3

= 0,3 mol de H2SO4

Determinamos el reactivo limitante teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción: 0,23 mol de Al(OH)3 ⋅

3 mol de H2SO4 2 mol de Al(OH)3

= 0,345 mol de H2SO4

Esta cantidad es mayor que los 0,3 mol que tenemos de esta sustancia. Por tanto, el reactivo limitante es H2SO4. Sobra Al(OH)3; por tanto, tendremos un medio básico.

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En la combustión de 1 mol de glucosa se liberan 2540 kJ. La mayor parte de los hidratos de carbono se descomponen dando glucosa. Calcula la cantidad de energía que se produce en nuestro cuerpo cada vez que metabolizamos 10 g de glucosa (aproximadamente la cantidad de azúcar presente en un azucarillo). Fórmula de la glucosa: C6H12O6. M (C6H12O6) = 6 ⋅ 12 + 12 ⋅ 1 + 6 ⋅ 16 = 180 g/mol 10 g de C6H12O6 ⋅

1mol de C6H12O6 180 g de C6H12O6

→ 0,056 mol de C6H12O6 ⋅

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= 0,056 mol de C6H12O6 → 2540 kJ 1 mol

= 141kJ

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La química orgánica

PRESENTACIÓN Se pretende en esta unidad que los alumnos se aproximen a la importancia socioeconómica de la química orgánica. Ante la imposibilidad de abarcar todo el campo, incidiremos en el estudio de los hidrocarburos, desde su obtención hasta sus aplicaciones industriales. Como recurso imprescindible para conocer los compuestos que abarca esta parte de la química abordaremos el estudio sistemático de su formulación, dando especial relevancia a la detección de los grupos funcionales implicados en los compuestos. Resulta muy interesante que el alumnado se dé cuenta de la gran cantidad de compuestos que existen en torno al carbono y de su importancia, tanto desde el punto de vista biológico como desde el farmacológico o industrial, ya que son la base de muchos de los nuevos materiales que manejamos.

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7 La química orgánica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de la química orgánica por la cantidad de productos que comprende y su relevancia. • Estudiar las características del átomo de carbono que justifican la gran cantidad de compuestos que forma. • Identificar los principales grupos funcionales que aparecen en los compuestos orgánicos • Aprender a formular y a nombrar compuestos orgánicos de manera sistemática. • Asociar las características físico-químicas de un compuesto a los grupos funcionales que contiene. • Comprender el fenómeno de la isomería y su relevancia en los compuestos orgánicos. • Conocer algunas reacciones orgánicas sencillas. • Utilizar las reacciones de combustión como técnica de análisis para conocer la fórmula de un compuesto orgánico. • Reflexionar acerca de la importancia socioeconómica de los hidrocarburos. • Estudiar cualitativa y cuantitativamente los procesos que implica la utilización de los hidrocarburos como fuente de energía.


• • • • • • • • •

Definición de compuesto orgánico. Características estructurales de los esqueletos carbonados. Concepto de serie homóloga. Grupos funcionales presentes en los hidrocarburos. Grupos funcionales presentes en compuestos oxigenados y nitrogenados. Formulación de compuestos con uno o más grupos funcionales. Concepto de isomería y formas que presenta en los compuestos orgánicos. Reacciones químicas sencillas frecuentes en los compuestos orgánicos. Los hidrocarburos como fuente de energía.

Procedimientos, • Reconocer con soltura los grupos funcionales presentes en un compuesto. destrezas y habilidades • Formular y nombrar compuestos orgánicos relativamente sencillos utilizando las normas de la IUPAC. • Ser capaz de establecer relaciones de isomería entre distintos compuestos. • Destreza para manejar con soltura distintas representaciones de un mismo compuesto. • Adquirir soltura en los cálculos que se requieren para determinar la fórmula de un compuesto orgánico a partir de su reacción de combustión.

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Actitudes

• Reconocer la química orgánica como ciencia en permanente desarrollo que proporciona compuestos nuevos para satisfacer necesidades concretas. • Asumir la importancia de los aprendizajes de una ciencia para facilitar el conocimiento de otras. Véase el interés de la química orgánica para el aprendizaje de la biología.

EDUCACIÓN EN VALORES 1. Educación para la salud Si repasamos la composición de los productos farmacéuticos encontraremos una serie de nombres complicados que responden, en la mayoría de los casos, a compuestos orgánicos. Algunos son lo suficientemente sencillos como para que se puedan formular y comentar en clase a estos alumnos; véase el ácido salicílico, el alcohol bencílico, el formol o el efortil. También puede interesar comentar la fórmula de algunas drogas, con el fin de hacer una aproximación científica a estas sustancias y comentar sus peligrosos efectos. Puede servir como ejemplo la relación entre la codeína, la morfina y la heroína. 2. Educación medioambiental La combustión de los compuestos orgánicos tiene consecuencias medioambientales de gran calado. Por su extensión e interés socioeconómico es muy educativo reflexionar con los alumnos acerca del problema de los combustibles y el medio ambiente, y tratar de promover actitudes responsables en su utilización. 3. Educación para el consumidor Algunas de las sustancias que manejamos como consumidores son productos orgánicos; nos referimos a las grasas, el alcohol, el acetona, y disolventes en general. Conocer sus fórmulas permitirá a los alumnos predecir sus propiedades y ser cautos con su manejo, evitando problemas derivados de su volatilidad, inflamabilidad y toxicidad.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN 1. Reconocer la cadena principal y los radicales de un compuesto orgánico. 2. Identificar los grupos funcionales presentes en un compuesto orgánico. 3. Formular y nombrar compuestos con un grupo funcional, siguiendo las normas de la IUPAC. 4. Formular y nombrar compuestos sencillos con más de un grupo funcional, siguiendo las normas de la IUPAC. 5. Reconocer relaciones concretas de isomería entre compuestos orgánicos. 6. Completar reacciones orgánicas sencillas. 7. Obtener la fórmula de un compuesto orgánico utilizando datos analíticos derivados de su reacción de combustión. 8. Analizar las consecuencias medioambientales de la reacción de combustión de los compuestos orgánicos.

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7 La química orgánica Observa la información de la tabla de la página 161 y escribe las fórmulas desarrollada y molecular de las siguientes sustancias: butanol, ácido etanoico, metilamina, ciclopentanol. Butanol

Ácido etanoico

H H H H

− − − − − − − −

H Fórmula molecular

C4H10O

H

C C

H

H H H O

H

O

H

H−C−C−C−C−H

2.

Metilamina

Ciclopentanol H

Fórmula desarrollada

=

1.

O H

H

C H

C2H4O2

H N

O H

H

CH5N

H H C C

H C H

H C H

C H H

C5H10O

El oxígeno es el elemento químico más abundante en la Tierra. Teniendo en cuenta la constitución de sus átomos, explica por qué el número de compuestos de oxígeno es mucho menor que el número de compuestos de carbono. El átomo de O tiene 6 electrones en su nivel de valencia, lo que indica que solo puede formar dos enlaces covalentes. Solo podría formar cadenas lineales y, si forma un doble enlace, solo se puede unir a otro átomo. El C tiene 4 electrones en su nivel de valencia, lo que le permite formar cuatro enlaces covalentes que pueden ser simples, dobles o triples. En cada caso puede formar cadenas, incluso ramificadas.

3.

La fórmula del benceno es C6H6. Escribe y nombra un hidrocarburo de cadena lineal que sea compatible con la fórmula molecular del benceno. CH⬅C−C⬅C−CH2−CH3 → hex-1,3-diino. CH2=CH−C⬅C−CH=CH2 → hex-1,5-dien-3-ino.

4.

Nombra los siguientes hidrocarburos: a)

3

c) CH3−C C− C− C− CH3 − C−C −C−C −C−C

4

2

5

1

6

b) CH2=C CH−C CH2 a) 1,3-ciclohexadieno. b) Propeno.

188

c) 2,4,6-octatriino.

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SOLUCIONARIO

5.

Formula los siguientes compuestos: a) Isopropilbenceno. b) Metilnaftaleno. a) CH3 CH

c) 2-metilciclopenta-1,3-dieno. c) CH3

CH3

b) H3C

Nombra los siguientes compuestos: a) H3C

c)

b) H2C

CH H3C

CH CH

CH3 CH3

a) 5-metilciclopenta-1,3-dieno b) 3,4-dimetilpent-1-eno Formula: a) Ciclopentanona b) 2-clorofenol c) Ácido propanodioico

d) 1,2,3-propanotriol e) Propanoato de metilo f) Butanodiona

a)

b)

O

Cl

−

=O

OH

e)

f)

H3C−CH2−C−O−CH3

O O

= =

O

−

OH HO−CH −CH−CH 2 2−OH d)

=

c) H3C−CH2−C−OH =

7.

c) Ciclobutilbenceno

−

6.

H3C−C−C−CH3

189

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Página 190

7 La química orgánica 8.

Nombra: a) HCOO−C C6H5

b) HOOC−C COOH

a) Formiato de fenilo 9.

c) CH3−C CHO

b) Etanal

c) Ácido etanodioico

Nombra: OCO−C CH3 a) CH3−O b) CH3−C CBrOH−C CH3

CH(CH3)−O c) CH3−C O−C C6H5 d) O− − −O −

a) Etanoato de metilo b) 2-bromopropan-2-ol 10.

Formula los siguientes compuestos: a) N-tercbutil butanoamida. b) Butanonitrilo. a) b) c) d)

11.

c) N-metil N-propil amina. d) N-metilformamida.

CH3−CH2−CH2−CO−NH−C(CH3)3 CH3−CH2−CH2−NH−CH3 CH3−CH2−CH2−CN CH3−NH−OCH

Nombra los siguientes compuestos: a) NCCH2−C CH3 NH2 b)

a) Propanonitrilo b) Ciclobutilamina 12.

c) Fenil isopropiléter d) Ciclobutan-1,3-diona

c) C6H5−N NH2 d) CH3NHCOCH2−C CH3

c)Anilina d) N-metilpropanoamida

Indica cuáles de estos pueden presentar actividad óptica a) Ácido metanoico. b) 2-cloro propanal.

c) 3-metilbutanonitrilo. d) 3-metil penten-2-eno.

−

Presentan actividad óptica las sustancias que tienen un carbono asimétrico. CH3 a) HCOOH c) H3C−CH−CH2−C⬅N

190

d) H3C−CH=C−CH2−CH3 −

b) CH3−CHCl−CHO Ópticamente activo

CH3

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SOLUCIONARIO

13.

Escribe y nombra tres isómeros estructurales del 3-hidroxibutanal. CH3 O HO H 3 C−C−CH

CH3−CH2−CH2−COOH

OH 2-hidroxi-2-metilpropanal 14.

15.

OH

Ácido butanoico

Ciclobutan-1,2-diol

Formula las siguientes sustancias y asígnale el punto de ebullición más adecuado: Compuesto

Fórmula

Punto ebullición (ºC)

Propano

CH3−CH2−CH3

48 −4

Propanal

CH3−CH2−COH

48

1-propanol

CH3−CH2−CH2OH

98

Etil metil éter

CH3−CH2−O−CH3

11

Teniendo en cuenta que las grasas son ésteres, explica por qué no se disuelven en agua y sí lo hacen en gasolina (octano). Las moléculas de agua presentan, entre sí, enlaces de H, ya que su fórmula H−O−H permite que se formen dos de estos enlaces por cada molécula. Los ésteres son moléculas mucho menos polares, que pueden formar enlaces de H, ya que no existe en ellos ningún enlace −O−H. Por su parte, la gasolina es un hidrocarburo y, por tanto, su molécula es apolar. Las grasas, poco polares, se disuelven mejor en gasolina, sustancia apolar, que en agua, sustancia polar que forma enlaces de H.

16.

La parafina es un hidrocarburo de elevada masa molar; es sólida a temperatura ambiente y se utiliza para fabricar velas. En ocasiones se dejan pequeñas velas encendidas sobre un recipiente de agua; esto no se podría hacer si el recipiente contuviese gasolina. Dejando al margen el olor, indica dos razones por las que no se podrían dejar velas encendidas en un recipiente con gasolina. La parafina es apolar y no se disuelve en agua. Por eso las velas se mantienen flotando en agua.

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7 La química orgánica La parafina se disuelve en gasolina. Por eso no se pueden mantener velas encendidas en gasolina. Además, la gasolina es inflamable, por lo que no se pueden encender llamas en su presencia. El agua no arde; por eso se pueden tener velas encendidas sobre agua. 17.

Completa las siguientes reacciones y nombra las sustancias que intervienen: CH3 CH3 a) Cl + HCl → 1-metilcloclobuteno + cloruro de hidrógeno b) CH2=CH−C⬅CH + H2

1-cloro-1-metilciclobutano →

butano

but-1-en-3-ino + hidrógeno c)

+ HCOOH

→

O−CH

+ H2O

formiato de fenilo + agua

d) CH2=CH−C⬅CH + O2

→ CO2 + H2O

but-1-en-3-ino + hidrógeno

dióxido de carbono + agua

Completa las siguientes reacciones de hidrólisis y nombra las sustancias que intervienen: a) CH3−COO−CH2−CH3 + H2O

→ CH3−CH2−CH2−CH3

etanoato de etilo + agua b)

O

ácido etanoico + etanol

+ H2O →

ciclobutil ciclopentil éter + agua c) CH3−O−CH−(CH3)2 + H2O isopropil metil éter d) NH2−CO−CH3 + H2O etanoamida + agua

192

=

O

OH

fenol + ácido fórmico

18.

CH3−CH2−CH2−CH3

OH

OH +

ciclopentanol + ciclobutanol

→ CH3−OH + HO−CH−(CH3)2 metanol + propan-2-ol → NH3 + HOOC-CH3 amoniaco + ácido etanoico

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SOLUCIONARIO

19.

Explica si es correcta la expresión: «La química orgánica es la química de los compuestos del carbono». No del todo. Algunos compuestos del carbono, como los óxidos y los carbonatos, forman parte de la química inorgánica.

20.

Razona si las siguientes frases son correctas o no: a) El carbono es el elemento químico más abundante sobre la Tierra. b) El carbono es el elemento químico que forma más compuestos sobre la Tierra. c) El carbono es el elemento químico que se combina con el mayor número de elementos químicos diferentes. a) Falso, el oxígeno es el elemento químico más abundante sobre la Tierra. b) Cierto. c) Falso. El O y el H se combinan con más elementos químicos distintos que el C.

21.

22.

Escribe la fórmula molecular del metano, etano, butano y pentano. Basándote en ellas, escribe la fórmula molecular general para un hidrocarburo lineal de n átomos de carbono: CnH… Metano

Etano

Butano

Pentano

Hidrocarburo general

CH4

C2H6

C4H10

C5H12

CnH2n+2

Escribe la fórmula molecular del ciclobutano, ciclopentano y ciclohexano. Basándote en ellas, escribe la fórmula molecular general para un hidrocarburo cíclico de n átomos de carbono: CnH… Ciclobutano

Ciclopentano

Ciclohexano

Hidrocarburo cíclico general

C4H8

C5H10

C6H12

CnH2n

H H H

H

C

C

C

C

H

H

H H

H H C

H H C

H C H

H H C H

C H H

H

H

H

C

C

C

H H

H H

C C

C

H

H

H H

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Escribe la fórmula molecular del eteno, 2-buteno y 1-penteno. Basándote en ellas, escribe la fórmula molecular general para un hidrocarburo lineal de n átomos de carbono que presente un doble enlace: CnH… ¿Cuál sería la fórmula molecular general si tuviesen dos dobles enlaces? Eteno

2-buteno

CH2=CH2 CH3−CH=CH−CH3 C2H4

24.

C4H8

HC 1 doble enlace general

HC 2 dobles enlaces general

CnH2n

CnH2n-2

CH2=CH−CH2− CH2−CH3 C5H10

Escribe la fórmula molecular del etino, 2-butino y 1-pentino. Basándote en ellas, escribe la fórmula molecular general para un hidrocarburo lineal de n átomos de carbono que presente un triple enlace: CnH… ¿Cuál sería la fórmula molecular general si tuviesen dos triples enlaces? Etino

CH⬅CH

2-butino

1-pentino

HC 1 HC 2 triples triple enlace enlaces general general

CH3−C⬅C−CH3 CH⬅C−CH2−CH2−CH3

C2H2

25.

1-penteno

C4H6

C5H8

CnH2n-2

CnH2n-4

Tenemos un hidrocarburo cuya fórmula molecular es: C5H8. Escribe la fórmula y el nombre de tres hidrocarburos no ramificados que sean compatibles con ella. • CH⬅C−CH2−CH2−CH3 → 1-pentino • CH2=CH−CH2−CH=CH2 → Pent-1,4-dieno

• 26.

→ Ciclopenteno

El nombre de los siguientes compuestos tiene algún error: identifícalo y corrígelo: a) 3-ciclopenteno. b) Cicloetano. c) 3-buteno.

d) Metino. e) 2-metilpropino.

a) Error. Si solo tiene 1 doble enlace, estará en posición 1. Corregido: ciclopenteno. b) Error. Un ciclo debe tener, al menos, 3 átomos de C. Corregido: ciclopropano.

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SOLUCIONARIO

c) Error. La cadena se empieza a numerar por el extremo más próximo al grupo funcional. Corregido: 1-buteno. d) Error. El triple enlace tiene que estar entre dos átomos de C. El prefijo met- indica un único átomo de C. Corregido: etino. e) Error. Un C solo puede formar 4 enlaces covalentes. Con esa fórmula, el C 2 debería formar 5 enlaces. Corregido: 2-metilpropeno.

27.

Formula: a) 3-clorobutan-1-ol. b) Acetato de isopropilo. c) Propanodial.

d) Paradifenol. e) Isobutil fenil éter.

a) CH3−CHCl−CH2−CH2OH b) CH3−COO−CH(CH3)2 c) HOC−CH2−COH d)

OH HO O−CH2−CH−CH3 −

e)

CH3

28.

En cada una de las fórmulas siguientes hay algún error; corrígelo: a) Etanona. b) Ácido ciclopropanoico.

c) Propanoato de metanol. d) Etano metano éter.

a) Error. Las cetonas tienen un grupo carbonilo en posición no terminal en la cadena. La más pequeña es la de 3 C. Corregido: propanona. b) Error. El grupo ácido está sobre un carbono terminal de un hidrocarburo abierto. Corregido: ácido propanoico. c) Error. Error en el nombre del radical. Corregido: propanoato de metilo. d) Error. Error en el nombre de los radicales. Corregido: etil metiléter.

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Escribe los grupos funcionales de los compuestos orgánicos oxigenados. Ver los grupos funcionales en las páginas 165 y 166 del libro.

30.

Formula el 2-pentanol. Formula un compuesto de la misma serie homóloga que él. Formula un compuesto de la misma familia que él, pero que no pertenezca a su serie homóloga. Misma serie homóloga

Misma familia, distinta serie homóloga

CH3−CHOH−CH3 2-propanol

CH3−CHOH−CH=CH2 But-3-en-2-ol

2-pentanol CH3−CHOH−CH2−CH2−CH3

31.

Escribe la fórmula molecular de los siguientes alcoholes: metanol, etanol, 2-propanol, 3-pentanol. Escribe la fórmula general de los compuestos que tienen un grupo alcohol en su molécula: CnHxO. Metanol CH3OH

Etanol

C2H6O

HCOH

Etanal

C5H12O

CnH2n+2

Propanal

Pentanal

Aldehído general

CH3−COH CH3−CH2−COH CH3−CH2−CH2−CH2−COH

CH2O

196

C3H8O

Escribe la fórmula molecular de los siguientes aldehídos: metanal, etanal, propanal, pentanal. Escribe la fórmula general de los compuestos que tienen un grupo aldehído en su molécula: CnHxO. Metanal

33.

Alcohol general

3-pentanol

CH3−CH2OH CH3−CHOH−CH3 CH3−CH2−CHOH−CH2−CH3

CH4O

32.

2-propanol

C2H4O

C3H6O

C5H10O

CnH2nO

Escribe la fórmula molecular de las siguientes cetonas: propanona, butanona, pentanona. Escribe la fórmula general de los compuestos que tienen un grupo cetona en su molécula: CnHxO. Propanona

Butanona

Pentanona

CH3−CO−CH3

CH3−CO−CH2−CH3

CH3−CO−CH2−CH2−CH3

C3H6O

C4H8O

C5H10O

Cetona general

CnH2nO

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Página 197

SOLUCIONARIO

34.

Formula los siguientes compuestos: a) N-etil N-fenil amina. b) Propanoamida.

c) Propanonitrilo. d) Ciclobutilamina.

a) CH3−CH2−NH−C6H5 b) CH3−CH2−CO−NH2

Nombra los siguientes compuestos: a) CH3−C CH2−N NH−C CH3

c) C6H5−N NH−C COH

b) CH3CN

CH−C CH2−N NH−C CH2−C CH3 d) H3C−C CH3 −

35.

c) CH3−CH2−CN d) NH2

a) Etil metilamina b) Etanonitrilo Nombra los siguientes compuestos: a) O

CH3

b)

− −

36.

c) N-fenilformamida d) N-etil-N-isobutilamina

−

NH2HC− C−C CH3 −C OCH CH3 CH2−C CHO c) C6H5−C

OH

a) 3-hidroxiciclopentanona b) 2-amino-3,3-dimetilbutanal c) 2-feniletanal Nombra los siguientes compuestos: a)

Br

b) CHO−C CHNH2−C CH2−C COOH O

− −

37.

c) H3C−O O−C CH2−C C−C CH2−C CH3

NH2 a) 4-bromociclobut-2-en-1-amino b) Ácido 2-oxoetilamino etanoico c) 1-metoxibutan-2-ona

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Formula los siguientes compuestos: a) Ácido 2-cianobutanoico. b) Etoxipropanona.

c) 3-oxopropanonitrilo.

O

=

=

O

a) H3−CH2−CH−C−OH −

b) H3C−CH2−O−CH2−C−CH3

CN

c) HOC−CH2−CN 39.

Formula los siguientes compuestos: a) Ácido 3-fenilpropanoico. b) 3-amino-5-metoxiciclohexanona.

c) 4-aminociclopent-2-en-1-ona.

a) C6H5−CH2−CH2−COOH c) O

O

=

=

b)

−

−

−O−CH3 H2N

40.

NH2

Las siguientes fórmulas contienen un error; detéctalo y corrígelo. c) 3,3-dibromobut-3-en-2-ona.

a) 2-ciano propan-1-ol. b) Ácido 2-etilpropanoico.

Error H3C−CH−CH2−OH −

a) 2-ciano propan-1-ol

CN

Corregido 3-hidroxi2-metilpropanonitrilo

El grupo nitrilo es prioritario frente al alcohol. O

=

b) Ácido 2etilpropanoico

Ácido 2-metilbutanoico

−

H3C−CH−C−OH H2C−CH3 La cadena principal es la más larga que contiene el grupo funcional más importante.

c) 3,3-dibromobut-3en-2-ona

3-bromobut-3-en-2-ona O =

H3C−C−C=CH2 −

198

Cada átomo de C solo puede formar 4 enlaces covalentes. En esta fórmula, el C 3 formaría 5.

Br

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SOLUCIONARIO

41.

Identifica los grupos funcionales de los siguientes compuestos y nómbralos: c) CH2OH−C CH2NH2

a)

d) CH3−C COO−C CH2−C CH3 e) CH2Br−C CH2NH2

O

H2N

f) CH3−O OCO−C CH2−C CH3

b)

O H2N a)

d)

doble enlace

=

O

H3C−C−O−−CH2−−CH3 O

éster

oxo

H2N amino

5-aminociclohex-2-en-1-ona b) doble enlace

Acetato de etilo e)

Br−CH2−CH2−NH2 halógeno

amino

NH2 amino oxo

O

2-aminociclohex-3-en-1-ona c)

alcohol

amino

2-aminoetanol

f)

O

=

HO−CH2−CH2−NH2

2-bromoetanoamina

H3C−O−C−CH2−CH3 éster

Propionato de metilo

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Página 200


Identifica los grupos funcionales de los siguientes compuestos y relaciona los que son isómeros de función: a) CH3−O O−C CH2−C CH3 CH2−C COOH d) CH3−C CH=C CH−C CH2OH b) CH3−C

e) CH3−O OCO−C CH3

c)

f) CH3−C CH2−C CH2−C CHO CO−C CH2−C CH3 g) CH3−C h) CH3−C CH2−C CH2OH

OH a) b) c) d)

Grupo éter Grupo alcohol y un doble enlace Grupo alcohol Grupo ácido carboxílico

e) f) g) h)

Grupo éster Grupo aldehído Grupo cetona Grupo alcohol

Son isómeros de función el a) y el h). Son isómeros de función el b), c), f) y g). Son isómeros de función el d) y el e).

43.

Identifica los grupos funcionales que están presentes en este compuesto y escribe la fórmula de otro que sea isómero de función de él y que tenga un único grupo funcional. CH2−C CH=C CH−C CH2OH CH3O−C H3C−O−CH2−CH=CH−CH2−OH éter

doble enlace

alcohol

4-metoxibut-2-en-1-ol =

O

H3C−CH2−CH2−CH2−CH2−C−OH ácido

Ácido hexanoico

44.

Indica cuáles de estos pueden presentar actividad óptica: a) 2-hidroxipropanona. b) 2-pentanol. c) 3-aminobutanona.

d) 2-cloro ciclopentanol. e) 3-cloro ciclopentanol.

a) HOCH2−CO−CH3 → No actividad óptica b) CH3−*CHOH−CH2−CH2−CH3 → Ópticamente activo (*C asimétrico) c) CH3−CO−*CH(NH2)−CH3 → Ópticamente activo (*C asimétrico)

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Página 201

SOLUCIONARIO

Cl

d)

→ Ópticamente activo (tiene C asimétricos)

OH e)

→ Ópticamente activo (tiene C asimétricos)

Cl

OH 45.

Escribe y nombra tres isómeros de cadena del penten-2-eno. • CH3−CH=CH−CH2−CH3 → Pent-2-eno −

• H3C−C=CH → 2-metilbut-2-eno CH3 → Ciclopentano

•

46.

•

CH3

→ Ciclopentano

Formula los siguientes compuestos e indica cuáles de ellos pueden presentar isomería geométrica. a) 2-penteno. b) 3-hexeno. c) 2-butino.

d) 2-metil buten-2-eno. e) 3-metil penten-2-eno.

a) CH3−CH=CH−CH2−CH3 Puede presentar isomería geométrica. b) CH3−CH2−CH=CH−CH2−CH3 Puede presentar isomería geométrica. c) CH3−C⬅C−CH3 No puede presentar isomería geométrica por el triple enlace. −

d) H3C−C=CH−CH3 CH3

No puede presentar isomería geométrica porque uno de los C del doble enlace tiene los dos sustituyentes iguales. −

e) H3C−CH=CH−CH2−CH3 CH3 Puede presentar isomería geométrica.

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Página 202


Escribe y nombra todas las cetonas de cinco átomos de C. • CH3−CO−CH2−CH2−CH3 → Pentan-2-ona • CH3−CH2−CO−CH2−CH3 → Entan-3-ona =

O

→ 3-metilbutan-2-on

−

• H3C−HC−C−CH3 CH3

=

O

→ Ciclopentanona

•

→ 2-metilciclobutanona

• O

H3C •

→ 3-metilciclobutanona

H3C

O •

→ 2,3-dimetilciclopropanona

CH3

CH3

O

O

•

→ 2-etilciclopropanona

C H3C−CH2−HC−CH2 •

→ 1-ciclopropiletanona

O C H3C

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Página 203

SOLUCIONARIO

48.

Escribe la fórmula de un compuesto de cinco átomos de C que tenga un grupo ciano y un doble enlace y sea ópticamente activo. −

H2C=CH−CH−CN → 2-metilbut-2-enonitrilo CH3

49.

Para el ciclopentanol escribe la fórmula de un compuesto de su misma serie homóloga, otro que pertenezca a su familia, pero no a su serie homóloga y otro que sea su isómero estructural.

Ciclopentanol

Misma familia, distinta serie homóloga

Isómero estructural

HOCH2−CH=CH2

HOCH2−CH2−CH=CH−CH3

prop-2-en-1-ol

Pent-3-en-1-ol

Misma serie homóloga OH

OH

Ciclobutanol

50.

Completa las siguientes reacciones y nombra las sustancias que intervienen: a) CH2=C CH−C CH2−C CH3 + Br2 but-1-eno + bromo b)

+ H2O ciclobuteno + agua

→ CH2 Br−BrCH−CH2−CH3 → 1,2-dibromobutano OH

→

→ ciclobutanol −

CHOH−C CH3 + CH3OH → H3C−CH−O−CH3 + H2O c) CH3−C CH3

propan-2-ol + metanol d) C8H18 + O2 octano + oxígeno 51.

→ isopropil metil éter + agua → CO2 + H2O → dióxido de carbono + agua

Escribe una reacción química que te permita obtener las siguientes sustancias: CHOH−C CH3 a) CH3−C b) ClCH2−C CH2Cl

c) C6H5NH2 d) HCOOH

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Página 204

7 La química orgánica a) CH2=CH−CH3 + H2O → Propeno + agua b) CH2=CH2 + Cl2 → Eteno + cloro c) C6H5NH−CO−CH3 + H2O → N-feniletanoamida + agua d) HCOO−CH3 + H2O → Metanoato de metilo + agua 52.

Al quemar 6,53 g de un hidrocarburo con un exceso de oxígeno se obtienen 9,8 g de agua y se recogen 10,15 L de CO2, medidos en condiciones normales. Determina la fórmula del compuesto. Suponemos que la fórmula del compuesto es del tipo: CxHy. Escribimos la ecuación de su reacción de combustión, aunque no la podemos ajustar porque desconocemos la fórmula del compuesto y el óxido de nitrógeno que se forma: F F

CxHy + O2 → CO2 + H2O 6,53 g

10,15 L 9,8 g

En la reacción interviene un exceso de aire. Por tanto, podemos suponer que ha reaccionado toda la muestra del compuesto orgánico. En ella: • Todo el H del compuesto se ha transformado en H2O. Calculando la cantidad de H que hay en 9,8 g de H2O conoceremos la cantidad de H que había en la muestra: Masa molar del H2O = 2 ⋅ 1 + 16 = 18 g/mol. 1 ⋅ 2 g de H 9,8 g de H2O ⋅ = 1,09 g de H 18 g de H2O • Todo el C del compuesto se ha transformado en CO2. Calculando la cantidad de C que hay en los 10,15 L de CO2 en condiciones normales conoceremos la cantidad de C que había en la muestra: 1mol de CO2 10,15 L de CO2 ⋅ = 0,453 mol de CO2 22,4 L de CO2 Masa molar del CO2 = 12 + 2 ⋅ 16= 44 g/mol. 12 g de C 0,453 mol de CO2 ⋅ = 5,44 g de C 1 mol de CO2 La masa del C sumada a la masa del H nos da, con mucha aproximación, la masa de la muestra del hidrocarburo, lo que confirma que el compuesto que estamos estudiando está formado solo por C e H. Los subíndices que acompañan al símbolo de cada elemento en la fórmula indican la proporción en la que se combinan,

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expresada en moles. Calculamos los moles de cada elemento que representan las cantidades que acabamos de obtener: 1mol de H 1,1 g de H ⋅ = 1,1mol de H 1 g de H 0,453 mol de CO2 → 0,453 mol de C. La fórmula del compuesto es del tipo: C0,453H1,09. Los subíndices deben ser números enteros sencillos que mantengan esta proporción. Para encontrarlos dividimos todos los números por el más pequeño: C 0,453 H 1,09 → C1H2,4 0,453

0,453

Debemos multiplicar por un número que haga que los dos subíndices sean números enteros. Multiplicando por 5 obtenemos la fórmula del compuesto: C5H12. Es un alcano de 5 átomos de C. No podemos precisar el compuesto exacto porque puede ser uno de los múltiples isómeros del pentano. 53.

La putrescina es un compuesto de C, H y N que se origina en los procesos de putrefacción de la carne. Al quemar una muestra de 2,125 g de putrescina con exceso de oxígeno se forman 4,25 g de CO2 y 2,608 g de H2O. Obtén la fórmula de la putrescina sabiendo que su masa molar es 88 g/mol. Suponemos que la fórmula del compuesto es del tipo: CxHyNz. Escribimos la ecuación de su reacción de combustión, aunque no la podemos ajustar porque desconocemos la fórmula del compuesto y el óxido de nitrógeno que se forma: F F

CxHyNz + O2 → CO2 + H2O + NOz 2,125 g

4,25 g 2,608 g

En la reacción interviene un exceso de aire. Por tanto, podemos suponer que ha reaccionado toda la muestra del compuesto orgánico. En ella: • Todo el C del compuesto se ha transformado en CO2. Calculando la cantidad de C que hay en 4,25 g de CO2 conoceremos la cantidad de C que había en la muestra: Masa molar del CO2 = 12 + 2 ⋅ 16 = 44 g/mol. 12 g de C 4,25 g de CO2 ⋅ = 1,16 g de C 44 g de CO2 • Todo el H del compuesto se ha transformado en H2O. Calculando la cantidad de H que hay en 4,5 g de H2O conoceremos la cantidad de H que había en la muestra.

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7 La química orgánica Masa molar del H2O = 2 ⋅ 1 + 16= 18 g/mol. 1 ⋅ 2 g de H 2,608 g de H2O ⋅ = 0,29 g de H 18 g de H2O • Por diferencia, podremos conocer la cantidad de N en la muestra: 2,125 g de compuesto − (1,16 g de C + 0,29 g de H) = = 0,675 g de N Los subíndices que acompañan al símbolo de cada elemento en la fórmula indican la proporción en la que se combinan, expresada en moles. Calculamos los moles de cada elemento que representan las cantidades que acabamos de obtener: 1mol de C = 0,097 mol de C • 1,16 g de C ⋅ 12 g de C • 0,29 g de H ⋅

1mol de H

• 0,675 g de N ⋅

1 g de H

= 0,29 mol de H

1mol de N 14 g de N

= 0,048 mol de N

La fórmula del compuesto es del tipo: C0,097H0,29N0,048. Los subíndices deben ser números enteros sencillos que mantengan esta proporción. Para encontrarlos dividimos todos los números por el más pequeño: C 0,097 H 0,29 N 0,048 → C2H6N1 0,048

0,048

0,048

Comprobamos si esta es la fórmula molecular del compuesto. Para ello, obtenemos su masa molar:

M (C2H6N) = 2 ⋅ 12 + 6 ⋅ 1 + 14 = 44 g/mol Como NO coincide con el dato hay que pensar que esa es la fórmula empírica del compuesto. En la molécula del compuesto habrá n veces esta proporción de átomos: n=

88 =4→ 44

→ Fórmula molecular de la putrescina: C4H12N2 54.

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El acetileno (C2H2) es un hidrocarburo altamente inflamable. Cuando arde alcanza temperaturas de hasta 3000 °C; por eso se utiliza como combustible en sopletes de soldadura. Se le puede hacer reaccionar con hidrógeno para convertirlo en etano; en ese proceso se desprenden 287 kJ por cada mol de acetileno. Calcula:

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SOLUCIONARIO

a) El volumen de hidrógeno, medido en condiciones normales, que será necesario para que reaccione con el acetileno que hay en una bombona de 5 L a 7 atm de presión y a 25 °C. b) La energía que se desprenderá en ese proceso. a) 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. C2H2

+

1 mol de hidróxido de acetileno

2 H2

→

reacciona 2 mol de para con hidrógeno dar

C2H6

+

287 kJ

1 mol de etano

y

energía

5 L, 7 atm, 25 ºC

3. Expresamos en mol la cantidad de las sustancias que reaccionan. Puesto el acetileno es un gas, usaremos las leyes de los gases: pV = nRT → →n =

PV = RT

7 atm ⋅ 5 L 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K

= 1,43 mol de C2H2

⋅ (273 + 25) K

4. La estequiometría de la reacción permite calcular los moles de hidrógeno que se requieren: 2 mol de H2 1,43 mol de C2H2 ⋅ = 2,86 mol de H2 1 mol de C2H2 Teniendo en cuenta el volumen que ocupa 1 mol de cualquier gas en condiciones normales: 22,4 L 2,86 mol de H2 ⋅ = 64 L de H2 1 mol b) La estequiometría también nos permite calcular la energía que se desprende: 287 kJ 1,43 mol de C2H2 ⋅ = 410,4 kJ 1 mol de C2H2 55.

Se hacen reaccionar 50 mL de un ácido acético comercial, del 9 6 % de riqueza en masa y densidad 1,06 g/mL, con un exceso de etanol. Calcula qué cantidad, en gramos, se habrá obtenido de acetato de etilo, suponiendo que el proceso tiene un 8 5 % de rendimiento. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos.

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7 La química orgánica 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. CH3−COOH

+

CH3− CH2OH

CH3−COO−CH2− + CH3

→

1 mol de reacciona 1 mol de ácido acético con etanol

para dar

50 mL, 96 % riqueza, d =1,06 g/mL

85 %

1 mol de acetato de etilo

y

H2O 1 mol de agua

3. Expresamos en mol la cantidad de las sustancias que reaccionan. La densidad del etanol permite calcular su equivalente en masa, y la riqueza, la cantidad exacta de ácido que puede reaccionar: 1,06 g 50 mL de acético comercial ⋅ = 53 g de acético comercial 1 mL 96 g de acético puro 53 g de acético comercial ⋅ = 100 g de acético comercial = 50,9 g de acético puro

M (acético) = 2 ⋅ 12 + 4 ⋅ 1 + 2 ⋅ 16 = 60 g/mol → 1 mol de acético = 0,85 mol de acético → 50,9 g de acético ⋅ 60 g de acético 4. La estequiometría de la reacción permite calcular los moles de acetato de etilo que se obtienen: 1 mol de ácido acético → 1 mol de acetato de etilo. En este caso, se obtendrían 0,85 mol de acetato de etilo si la reacción fuese con un 100 % de rendimiento. De acuerdo con los datos, solo se obtiene el 85 % de lo que se obtendría en teoría: 0,85 mol de acetato de etilo teóricos ⋅ ⋅

85 mol de acetato de etilo real 100 mol de acetato de etilo teóricoos

=

= 0,72 mol de acetato de etilo real

M (acetato de etilo) = 4 ⋅ 12 + 8 ⋅ 1 + 2 ⋅ 16 = 88 g/mol de acetato de etilo → → 0,72 mol de acetato de etilo ⋅

88 g de acetato de etilo 1 mol de acetato de etilo

= 63,4 g de acetato de etilo

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=

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56.

La mayor parte de los combustibles que se utilizan son hidrocarburos; se queman cuando reaccionan con oxígeno dando CO2 y H2O. Cuando se quema 1 mol de gas natural (CH4) se desprenden 800 kJ, y cuando se quema 1 mol de butano (C4H10), 2877 kJ. Determina la cantidad de energía que se obtiene y la masa de dióxido de carbono que se envía a la atmósfera cuando se quema 1 kg de cada uno de estos combustibles. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. CH4 (g)

+

1 mol de metano

2 O2 (g)

→

CO2 (g)

+

2 mol de 1 mol de dióxido dan oxígeno de carbono

2 H2O (l ) + Energía 2 mol de agua

800 kJ

1 kg

3. Expresamos en mol la cantidad de las sustancias que reaccionan. Para el caso del metano:

M (CH4) = 12 + 4 ⋅ 1 = 16 g/mol → 1 mol de CH4 = 62,5 mol de CH4 → 1000 g de CH4 ⋅ 16 g de CH4 4. La estequiometría de la reacción permite calcular los moles de dióxido de carbono y la energía que se vierte a la atmósfera: 1 mol CH4 → 1 mol de CO2. En este caso, se vierten a la atmósfera 62,5 mol de CO2. Calculamos su masa equivalente:

M (CO2) = 12 + 2 ⋅ 16 = 44 g/mol → → 62,5 mol de CO2 ⋅

44 g de CO2 1 mol de CO2

= 2750 g de CO2 =

= 2,75 kg de CO2 62,5 mol de CH4 ⋅

800 kJ 1 mol de CH4

= 50 ⋅ 10 3 kJ

De forma similar, hacemos los cálculos que corresponden a la combustión de 1kg de butano: C4H10 (g ) 1 mol de butano

+

13/2 O2 (g )

→

4 CO2 (g )

13/2 mol de oxígeno

dan


+

5 H2O (l ) + Energía 5 mol de agua

2877 kJ

1 kg

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7 La química orgánica 1. Expresamos en mol la cantidad de las sustancias que reaccionan. Para el caso del metano:

M (C4H10) = 4 ⋅ 12 + 10 ⋅ 1 = 58 g/mol → 1 mol de C4H10 = 17,24 mol de C4H10 → 1000 g de C4H10 ⋅ 58 g de C4H10 2. La estequiometría de la reacción permite calcular los moles de dióxido de carbono y la energía que se vierte a la atmósfera: 17,24 mol de C4H10 ⋅


= 69 mol de CO2

M (CO2) = 12 + 2 ⋅ 16 = 44 g/mol → 44 g de CO2 = 3036 g de CO2 = → 69 mol de CO2 ⋅ 1 mol de CO2 = 3,036 kg de CO2 17,24 mol de C4H10 ⋅

57.


= 49,6 ⋅ 10 3 kJ

Un coche medio consume 6,5 L de gasolina cada 100 km. Suponiendo que la gasolina es isoctano (C8H18) y que cada vez que se quema un mol de esta sustancia se desprenden 5550 kJ, calcula la cantidad de energía que consume y la masa de CO2 que vierte a la atmósfera un coche cuando recorre 100 km. Dato: densidad de la gasolina = 0,76 g/cm3. 1. Escribimos la ecuación química de la reacción y la ajustamos. 2. Debajo de cada sustancia, escribimos los datos que conocemos. C8H18 (g) 1 mol de isoctano

+

25/2 O2 (g)

→

25/2 mol dan de oxígeno

8 CO2 (g) 8 mol de dióxido de carbono

+ 9 H2O (l ) + Energía 9 mol de agua

5550 kJ

6,5 L, d = 0,76 g/cm3

3. Expresamos en mol la cantidad de las sustancias que reaccionan. La densidad de la gasolina permite calcular su equivalente en masa: 6,5 ⋅ 10 3 mL de gasolina ⋅

0,76 g de gasolina 1 mL de gasoolina

=

= 4,94 ⋅ 103 g de gasolina

M (C8H18) = 8 ⋅ 12 + 18 ⋅ 1 = 114 g/mol → 1 mol de C8H18 = 43,33 mol de C8H18 → 4, 94 ⋅ 10 3 g de C8H18 ⋅ 114 g de C8H18

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SOLUCIONARIO

4. La estequiometría de la reacción permite calcular los moles de dióxido de carbono y la energía que se vierte a la atmósfera: 43,33 mol de C8H18 ⋅

8 mol de CO2

= 346,7 mol de CO2

1 mol de C8H18

M (CO2) = 12 + 2 ⋅ 16 = 44 g/mol → → 346,7 mol de CO2 ⋅

44 g de CO2 1 mol de CO2

= 15250 g de CO2 =

= 15,25 kg de CO2 43,33 mol de C8H18 ⋅


= 240,5 ⋅ 10 3 kJ

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Cinemática (I): cómo se describe el movimiento

PRESENTACIÓN La física en Bachillerato se inicia con el estudio del movimiento. La cinemática es una de las partes de la física en la que los conceptos que se introducen resultan más familiares: posición, desplazamiento, velocidad o aceleración. Pero, a la vez, es un tema que introduce desarrollos matemáticos complejos, como el cálculo vectorial o el cálculo de derivadas. De hecho, de su estudio surge la ciencia moderna y la ruptura con dogmatismos y visiones simplistas de la naturaleza. En la cinemática el alumno puede apreciar la fidelidad con la que el lenguaje matemático describe la naturaleza y desarrollar el uso de expresiones algebraicas y la interpretación de gráficas para la descripción del movimiento.

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8 Cinemática (I): cómo se describe OBJETIVOS • Adquirir y utilizar los conocimientos básicos del movimiento: posición, velocidad y aceleración, para desarrollar estudios posteriores más específicos. • Distinguir los conceptos de desplazamiento y posición. • Comprender el concepto de velocidad media y contrastarlo con el de velocidad instantánea. • Entender y utilizar las componentes tangencial y normal de la aceleración. • Expresar diferentes movimientos con lenguaje algebraico. • Interpretar la gráfica de un movimiento. • Realizar experimentos sencillos de laboratorio sobre posición y movimiento. • Aplicar los conocimientos físicos del movimiento a la resolución de problemas de la vida cotidiana.


• Planteamiento de problemas, elaboración de estrategias de resolución y análisis de resultados. • Comunicación de información utilizando la terminología adecuada. • Importancia del estudio de la cinemática en la vida cotidiana y en el surgimiento de la ciencia moderna. • Sistemas de referencia. • Magnitudes necesarias para la descripción del movimiento. • Iniciación del carácter vectorial de las magnitudes que intervienen.

Procedimientos, • Interpretar gráficas. destrezas • Resolver problemas. y habilidades • Cambiar de unidades con soltura. • Elaborar gráficas.

Actitudes

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• Aprecio de la utilidad de aplicar los contenidos de la unidad en los movimientos que observamos cotidianamente.

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el movimiento EDUCACIÓN EN VALORES 1. Educación vial Comprender el movimiento de los móviles permite a los alumnos reflexionar sobre la importancia de la educación vial. La aceleración cambia la velocidad del móvil, pero no de manera instantánea. Respetar los pasos de cebra o semáforos cuando el alumno actúa como peatón, o la distancia de seguridad cuando el alumno actúa de conductor o piloto de motos es importante para controlar los parámetros del movimiento. 2. Educación cívica Respetar la señales de tráfico que previenen trayectorias de movimiento peligrosas ayuda a interiorizar un respeto por la normas de tráfico, pero también se extiende a un respeto en normas cívicas y sociales que la sociedad impone. Además, reafirma la madurez del alumno, que empieza a gestionar su libertad dentro de un marco jurídico y legislativo. 3. Educación medioambiental La cinemática es una rama de la física en la que se refleja el movimiento de los objetos de la naturaleza. La comprensión de sus leyes ayuda al alumno a reflexionar sobre la belleza del mundo que le rodea y las leyes que lo describen. Desde el conocimiento de estas leyes nace el respeto y el cuidado del alumno al medio ambiente.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN 1. Analizar diferentes aspectos del movimiento y obtener información de ellos mediante estrategias básicas del trabajo científico. 2. Comprender y distinguir los conceptos de desplazamiento y posición, velocidad media e instantánea, aceleración media e instantánea. 3. Utilizar los procedimientos adquiridos en la descomposición vectorial de la aceleración. 4. Resolver problemas sencillos sobre el movimiento. 5. Analizar cualitativamente el movimiento para emitir hipótesis que ayuden a elaborar estrategias. Distinguir y clasificar un movimiento según los valores de su velocidad y aceleración. 6. Realizar trabajos prácticos para el análisis de diferentes situaciones de movimiento e interpretar los resultados. 7. Aplicar estrategias características al estudio del movimiento.

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8 Cinemática (I): cómo se describe 1.

Determina el vector de posición ជ r1 de un punto de una trayectoria r2 situado en las coordenadas (−3 , 2 , 6) y el vector ជ, que con las coordenadas (6 , −2 , 3) determina otro punto. r2 − ជ? r1 ¿Cuáles serán las coordenadas del vector ជ ជ r1 = (−3 , 2 , 6) Z

r =ជ r2 − ជ r1 Δជ

6

Δជ r = (6 , −2 , 3) − (−3 , 2 , 6)

Δជ r = (9 , −4 , 3)

Δជ r = (9 , −4 , −3)

−3

Estas son las coordenadas de Δ ជ r . −2 Y

2

rជ2 = (6 , −2, 3)

X

2.

r1 = 2 ជ i −4 ជ j m, Una pelota se desplaza desde el punto 1, ជ r2 = − ជ i +3ជ j m. Calcula la distancia entre los puntos 1 hasta el punto 2, ជ r2 − ជ? r1 y 2 en metros. ¿Cuáles son los componentes del vector ជ La distancia entre los puntos ជ r1 y ជ r2 es el módulo del vector Δ ជ r =ជ r2 − ជ r1 ជ ជ ជ ជ ជ Δ r = (− i + 3 j ) m − (2 i − 4 j ) m

rជ1 = ជ i + 3ជ j Y Δជ r = − 3ជ i + 7ជ j X

En componentes, Δ ជ r = (−3 , 7) m. Y el módulo, que da la distancia entre ជ r1 y ជ: r2

rជ2 = 2ជ i − 4ជ j

|Δ ជ r | = + (−3)2 + (7)2 = + 58 m 7,6 m

3.

El vector de posición de una pelota en función del tiempo es: ជ r (t ) = (3t , 1 , 2t 2) m Calcula el vector desplazamiento Δជ r =ជ r2 − ជ r1 entre los instantes t1 = 2 s y t2 = 5 s.

r =ជ r2 − ជ r1 = ជ r (t2) − ជ r (t1) = (3t2 , 1 , t 22) m − (3t1 , 1 , 2t 21) m Δជ Sustituyendo: t1 = 2 s y t2 = 5 s queda: Δជ r = (15 , 1 , 50) m − (6 , 1 , 8) m = (9 , 0 , 42) m

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SOLUCIONARIO

el movimiento 4.

Los vectores de posición de un móvil en dos instantes t1 y t2 son: ជ r1 = 6ជ i − 4ជ j yជ r2 = 6 ជ j Calcula el vector desplazamiento Δជ r .

r =ជ r2 − ជ r1 = 6ជ j − (6ជ i − 4ជ j ) = 6ជ j − 6ជ i + 4ជ j = −6ជ i + 10ជ j Δជ 5.

El AVE circula a 300 km/h y el revisor se mueve por el pasillo a 6 km/h hacia la cola del tren. a) ¿Hacia dónde se mueve el revisor, hacia la derecha o hacia la izquierda? b) ¿Cuál es su velocidad? 300 km/ h

vជT-V

6 km/ h

vជR-T

El término «velocidad» solo tiene sentido con respecto a un determinado sistema de referencia. En nuestro caso, la velocidad del revisor respecto del tren es vជR-T, de módulo v R-T = 6 km/h. La velocidad del tren respecto a las vías es vជT-V, de módulo v T-V = 300 km/h. Para un observador externo al tren y ligado a las vías, la velocidad del revisor será: vជR-V = vជT-V − vជR-T Suponiendo que el movimiento es rectilíneo, solo necesitamos una coordenada (x) y, según la figura:

vជR-T = − 6 ជ i km/h ⎪⎫⎪ ⎪⎬ vជ = 294 ជ i km/h R-v vជT-V = + 300 ជ i km/h ⎪⎪ ⎪⎭ Esto significa que, visto desde la vía, el revisor se mueve en el mismo sentido que el tren, pero solo a 294 km/h. 6.

Imagina que te llevan en coche por una curva con forma de arco de circunferencia con velocidad constante. Como te han vendado los ojos y tapado los oídos, solo puedes notar que te estás moviendo porque hay aceleración (si el movimiento fuese uniforme y en línea recta, no te darías cuenta). a) ¿De qué factores puede depender que notes más o menos que el coche está tomando una curva? O, dicho de otra manera, ¿de qué puede depender la aceleración normal de este movimiento circular uniforme?

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8 Cinemática (I): cómo se describe b) ¿Qué magnitudes físicas relacionadas con la trayectoria y la forma de recorrerla influyen en que se note más el cambio de dirección?

R1

R2

La curva «se notará más» a igualdad de otros factores cuanto más cerrada sea, lo que se mide mediante el parámetro «radio de curvatura», R. Cuanto mayor sea R más abierta es la curva y menos se nota. Por otro lado, si el radio de curvatura es el mismo, la curva se notará más cuanto más rápido se tome. En resumen: La curva «se nota más» (el cambio de dirección)

7.

Cuanto mayor sea v Cuanto menor sea R

¿Qué factor influye más en aN, la velocidad o el radio de la curva? Supón que decides duplicar tu velocidad en una curva (de v a 2v) y, para compensar, pides al Ministerio de Fomento que haga la curva más abierta, duplicando también su radio (de R a 2R). a) Calcula la aceleración normal antes y después de duplicar la velocidad. b) Halla los valores numéricos de aN para una curva de 20 m de radio tomada a 60 km/h y otra de 40 m de radio con v = 120 km/h. c) Averigua el valor de aN para otra curva de 40 m de radio que se toma a una velocidad de 120 km/h. Compara los resultados con los obtenidos en el apartado anterior. v2 a) Como la aceleración normal tiene módulo aN = , al duplicar R (2v )2 v2 v2 =4 = 4aN, la velocidad, aN = se transforma en a'N = R R R es decir, es cuatro (y no dos) veces mayor. Sin embargo, al duplicar el radio: v2 v2 1 v2 1 aN = = = aN → a''N = R 2R 2 R 2 la aceleración normal solo se divide por dos.

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SOLUCIONARIO

el movimiento En resumen, si duplicamos simultáneamente la velocidad y el radio de la curva, la aceleración normal aún sería el doble de la inicial. v2 (2v )2 2v 2 aN = = = 2aN → a''' N = R R (2R ) ⎫⎪ b) R = 20 m 2 ⎬ aN = 14 m/s v = 60 km/h = 17 m/s⎪⎪⎭ ⎫⎪ R = 40 m 2 ⎬ aN = 28 m/s v = 120 km/h = 33 m/s⎪⎪⎭ 8.

¿Podrías adaptar el dibujo del apartado A de la página anterior al caso en que se toma la misma curva, pero frenando? Si la curva se toma frenando, el módulo de la velocidad disminuye.

aជ= aជT + aជN

aជ

aជT

aជN

9.

Clasifica los siguientes movimientos en una de las categorías anteriores: a) Una estudiante da siete vueltas a ritmo constante a una pista de atletismo. b) Otro estudiante corre una carrera de 100 m. c) Un satélite artificial gira alrededor de la Tierra en una órbita perfectamente circular a velocidad constante, dando una vuelta completa cada 11 horas. d) Un profesor va todos los días (laborables) a trabajar en tren, recorriendo 35 km en 30 minutos. e) Un autobús recorre un tramo recto de autopista a una velocidad de 90 km/h. f) Movimiento de un punto del tambor de una lavadora cuando esta comienza a centrifugar. a) Movimiento uniforme no rectilíneo. (aT = 0; a N ≠ 0.) b) Movimiento rectilíneo no uniforme. (aT ≠ 0; a N = 0.)

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8 Cinemática (I): cómo se describe c) Movimiento (circular) uniforme. (aT = 0; a N = constante ≠ 0.) d) Cabe suponer que se trata de un movimiento general curvilíneo y no uniforme. (aT ≠ 0; a N ≠ 0.) e) Movimiento con vector velocidad constante: vជ= constante, es decir, uniforme y rectilíneo. (aT = 0; a N = 0.) f) Movimiento circular (aN = constante ≠ 0.) no uniforme (aT ≠ 0.) 10.

¿Bajo qué condiciones es la velocidad media igual a la velocidad instantánea? La velocidad media solo puede ser igual a la instantánea en los movimientos uniformes, es decir, con módulo de la velocidad constante: v = constante.

11.

El ganador de una carrera ciclista recorre los últimos 10 m en 0,72 s. a) ¿Cuál es su velocidad media en ese tramo? b) Exprésala en las unidades más comunes en la vida cotidiana (km/h). vm =

12.

km Δs m 3600 s 10 m 1 km = = 13, 9 m/s = 13, 9 ⋅ = 50 ⋅ 0,72 s 1h h Δt s 1000 m

Se suele elegir la superficie de la Tierra como punto fijo respecto al que medir, pero ¿está realmente quieta la Tierra? a) Calcula la velocidad con que se mueve un punto del ecuador en su giro alrededor del eje. Dato: radio medio de la Tierra: 6370 km. b) Calcula la velocidad de traslación de la Tierra alrededor del Sol. Datos: la Tierra está aproximadamente a 8 minutos luz del Sol; vluz = 300 000 km/s. c) ¿Cómo es posible que vayamos a esa velocidad sin enterarnos? a) La Tierra hace un giro completo sobre sí misma en un día (esa es la definición de «día»). La circunferencia de la Tierra en el ecuador es: L 2πRTierra 2π ⋅ 6370 km 40 024 km L Y la velocidad (lineal) de giro v = : 1 día 40 024 km v rot 1670 km/h 460 m/s 24 h

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SOLUCIONARIO

el movimiento b) Y da una vuelta completa alrededor del Sol en un año (esa es, justamente, la definición). Suponiendo que la órbita fuera circular (solo lo es aproximadamente), tomemos como radio 8 minutos-luz, es decir, el espacio que recorre la luz en 8 minutos a velocidad c: R = c ⋅ t = 300 000 km/s ⋅ 8 minutos = = 300 000 km/s ⋅ 480 s = 144 000 000 km Y la velocidad de traslación de la Tierra es: v tras =

2πR 905 000 000 km 103 000 km/h 29 km/s 1 año 365 ⋅ 24 h

c) Es decir, lejos de estar «inmóviles», tenemos un complicadísimo movimiento en el que se mezclan una rotación a 460 m/s con una traslación a 29 000 m/s y aún otros movimientos en la galaxia… ¿Por qué no los notamos? En realidad nunca notamos la velocidad por sí misma (¿respecto a qué?), sino la aceleración. Calculemos las aceleraciones correspondientes a esos dos movimientos circulares: v2 aN, rot = rot = 0, 03 m/s2 RT aN, tras =

aជN, rot

2 v tras = 0, 006 m/s2 RT

Tanto estas dos como otras que no hemos tenido en cuenta son muy pequeñas y no tienen por qué sumarse sus módulos (para ello habrían de coincidir direcciones y sentidos).

aជN, tras aជN, rot

Sol

13.

Contesta: a) ¿Es posible que un movimiento uniforme tenga aceleración? Pon ejemplos. b) ¿Es posible que un cuerpo tenga velocidad cero y aceleración distinta de cero? ¿Y al contrario? Pon ejemplos en los que se dé esta situación. a) Por supuesto que sí. Uniforme quiere decir que tiene módulo de la velocidad constante (v = constante, aT = 0). Pero aunque la aceleración tangencial sea nula, la aceleración normal puede muy bien no serlo. Cualquier trayectoria no rectilínea tiene aN = 0, así que cualquier trayectoria no rectilínea recorrida uniformemente tiene aceleración no nula: a = aN ≠ 0.

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8 Cinemática (I): cómo se describe b) Sí es posible que un cuerpo tenga velocidad nula y aceleración no nula. Eso es lo que sucede en el instante en el que se inicia su movimiento. La velocidad es cero, pero el ritmo de cambio de velocidad, aceleración, es distinta de cero y hará que comience el movimiento. Respecto a velocidad no nula y aceleración nula, solo puede suceder en un caso, en el movimiento rectilíneo (aN = 0) y uniforme (aT = 0). 14.

Alicia dice que ha visto moverse un avión en línea recta a 980 km/h. Benito, por su parte, sostiene que el avión estaba inmóvil. ¿Es posible que se refieran al mismo avión? ¿Cómo? Por supuesto, la velocidad es un concepto relativo, que depende del sistema de referencia utilizado. Alicia está usando un sistema de referencia ligado al suelo, por ejemplo, mientras Benito prefiere emplear otro ligado al avión (y, claro, la velocidad del avión respecto de sí mismo es cero). Eso puede parecer absurdo en la vida cotidiana, pero no en la física, donde la libertad y conveniencia de elegir diferentes sistemas es muy importante.

15.

¿Qué dirección tiene la aceleración de un cuerpo que se mueve en una circunferencia con el módulo de la velocidad constante? aជN

16.

Está dirigida hacia el centro de la circunferencia. Como el movimiento es uniforme aT = 0, así que la aceleración es puramente normal, aជ= aជN.

Un cuerpo se mueve con movimiento circular y uniformemente acelerado. Dibuja en un punto cualquiera de la trayectoria los vectores velocidad, aceleración tangencial, aceleración normal y aceleración total. Respuesta gráfica: aជN

vជ1

aជN aជ

aជT

vជ2

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SOLUCIONARIO

el movimiento 17.

Un péndulo oscila en un plano vertical. a) ¿Cuál es la dirección de la aceleración en el punto medio del recorrido? a =ជ aN +ជ a T y piensa cómo b) ¿Y en los extremos? (Recuerda que ជ es la velocidad en cada uno de esos puntos: al soltar la masa en un extremo desde el reposo, va cada vez más deprisa hasta el punto más bajo y luego se frena hasta pararse en el otro extremo.)

ជ g

Convendrá analizar cualitativamente el movimiento del péndulo desde que lo soltamos, por ejemplo, en A hasta que se para en el punto C.

aជB A

C

vជ vជ aជA

aជC B

Al principio vA = O. Está parado, de modo que aNA = 0 (no puede tener aceleración normal si no se está moviendo). Sí tiene aceleración tangencial y está dirigida hacia B, pues en tal sentido va a aumentar el vector velocidad.

Desde A hacia B el péndulo se mueve cada vez más deprisa, siendo B el punto más rápido; y de B a C frena, de modo que su aceleración tangencial tiene que cambiar de sentido en B, es decir, aTB = 0. Pero en B sí hay aceleración normal, pues el movimiento es circular y vB ≠ 0. Esto quiere decir que aជB = aជNB, dirigida hacia el centro de la trayectoria. En el punto C, de nuevo vC = 0 → aNC = 0 y solo hay aceleración tangencial, la misma que frenaba el movimiento de A a C y ahora lo va a acelerar en el sentido opuesto, de C hacia A.

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8 Cinemática (I): cómo se describe 18.

Observa la figura y contesta: B

A

C

D

F

E M

L

G H

O

I

N K

J

a) ¿Qué lugares de la trayectoria de la figura son imposibles de recorrer sin aceleración? b) ¿En qué lugares es posible el movimiento uniforme? c) ¿Dónde puede haber movimiento sin ningún tipo de aceleración? d) Dibuja un posible vector velocidad en cinco puntos. a) Todos los tramos que no sean rectilíneos y aparentemente ninguno de los marcados es rectilíneo. b) Un movimiento uniforme es posible en cualquier punto de la trayectoria; la forma de la trayectoria no condiciona, en principio, el módulo de la velocidad. Si lo hace en una carretera real es por factores ajenos a la cinemática; un coche real puede salirse de una curva si la toma muy rápido, pero un punto ideal puede recorrer cualquier trayectoria a la velocidad que sea. c) En las rectas. d) Respuesta libre. 19.

Se toma una curva como la de la figura (cuyos tramos AB y DE son rectos) manteniendo hasta el punto C una velocidad constante y empezando a acelerar v apropiados en los puntos B, C y D. a partir de ahí. Dibuja vectores Δជ A B C D

E

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SOLUCIONARIO

el movimiento Pista: ¿qué tipos de aceleración hay en cada uno de esos puntos? A B C

aជTC

aជNC

D

aជC

E

En el punto B la aceleración es tangencial y tiene la dirección de la recta AB (no puede haber aceleración normal ahí). Algo más complicado es el punto C en el que, además de aceleración tangencial, hay también normal, pues la trayectoria es curva: aជC = aជNC + aជTC. Hay que tener en cuenta que la aceleración normal se dirige al interior de la curva. En el tramo DE, que es recto, la aceleración vuelve a ser puramente tangencial. 20.

La cuerda de un columpio se rompe cuando está en uno de los extremos de su trayectoria (por ejemplo, al punto 3).

1 2

3

a) ¿Hacia dónde salimos volando? Justifica gráficamente la respuesta. b) Y antes de haberse roto, ¿había aceleración tangencial en los extremos del movimiento? Justifica la respuesta y dibuja las dos componentes de la aceleración –cuando existan– en los tres puntos de la figura. a) ¿Qué velocidad tenemos en el extremo (3) de la trayectoria? v3 = 0, ¡ahí estamos parados! Si se rompe la cuerda no nos vamos a quedar quietos porque lo que sí hay es aceleración, la aceleración de la gravedad, 1 g», que es la que actúa «ជ sobre nosotros cuando ya no estamos ligados al columpio haciendo que caigamos verticalmente.

3

gជ 2

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8 Cinemática (I): cómo se describe b) Ya ha sido respondida en la cuestión 17 (siempre que tratemos al columpio igual que un péndulo ignorando –lo que en muchos casos no basta– que en el columpio no hay un punto, sino un cuerpo extenso cuya posición cambia…) 21.

Óscar va a visitar a su amigo en bicicleta desde su pueblo hasta un pueblo próximo que se encuentra a 10 km. • Parte de su casa a las 8 h 15 min de la mañana con una velocidad de 15 km/h. • A los 20 minutos de la salida hace un descanso de 10 minutos y después continúa pedaleando, pero ahora, más deprisa, con una velocidad de 20 km/h, hasta que llega a casa de su amigo. • Una vez allí se queda hasta las 11 m 30 min, momento en el que emprende la vuelta a su casa con una velocidad constante de 12 km/h. a) Representa el movimiento de ida y vuelta de Óscar en una gráfica s-t. b) ¿Qué tipo de movimiento ha llevado? v (km/h) a) Aunque el enunciado 20 A no lo pida, 15 haremos 10 también 5 B la gráfica v-t. 0

C E

D

0 10 20 30 40 50 60 70

t (min) 195

245

195

245

s (km) 10

5

t (min)

0 0 10 20 30 40 50 60 70

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SOLUCIONARIO

el movimiento b) A: En los primeros 20 minutos a vA = 15 km/h recorre: d A = 15

km h

⋅

1 1 h = 5 km (20 min = h) 3 3

B: Luego está parado 10 min. C: Reanuda la marcha a 20 km/h hasta recorrer los restantes dC = 5 km. Tarda Δt C =

dC 5 km 1 = → Δt C = h = 15 min. 20 km/h vC 4

D: Parado desde las 9 hasta las 11:30 (8:15 + 0:20 + 0:10 + 0:15 = = 9:00). E: Recorre los 10 km de vuelta a vE = 12 km/h en un tiempo: Δt E =

22.

10 km 5 = h = 50 min 12 km/h 6

El vector de posición de un cuerpo viene dado por la expresión: ជ r (t ) = (t, t 2 + 1, 0) con t en segundos y r en metros. a) b) c) d)

¿En qué región del espacio se mueve, en un plano, en una recta…? Calcula la posición en t = 2 s y en t = 2,5 s. Calcula la velocidad media entre ambos instantes. Deduce la ecuación de la trayectoria. a) El movimiento es en un plano, pues una de las tres coordenadas tiene un valor constante. Se trata del plano z = 0 (plano x-y) A partir de ahora nos basta trabajar con el vector bidimensional: ជ r (t ) = (t , t 2 + 1) unidades del SI b) ជ r (t = 2 s) = (2 , 5) m (P) ជ r (t = 2,5 s) = (2,5 , 7,25) m (Q) y (m) c) No podemos calcular la velocidad media si no Q 7 sabemos cómo es la trayectoria Δs 6 entre ambos puntos, ya que 5 P no conocemos la distancia 4 recorrida. Podría ser una línea 3 recta o una trayectoria 2 cualquiera, como la de la figura, 1 o aún más complicada. 0 0 1 2 3 Podemos representar algunos puntos intermedios, como los correspondientes a t = 2,1 s, t = 2,2 s… o hacer antes el apartado d).

x (m)

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8 Cinemática (I): cómo se describe d) Para obtener la ecuación de la trayectoria, fijémonos en que x = t e y = t 2 + 1 = x 2 + 1. Es decir, la ecuación es y = x 2 + 1, que no es una recta, sino una parábola. Ahora volvamos al apartado c) sabiendo que la trayectoria es un arco de parábola. Como no sabemos calcular su longitud, no queda más remedio que aproximarla por una recta, de modo r ⏐). que nos quedaremos cortos en la distancia recorrida (Δ s > ⏐Δ ជ

vmedia =

⏐Δ ជ r⏐ Δs ≈ Δt Δt

r =ជ r (t = 2,5 s) − ជ r (t = 2 s) = Pero Δ ជ = (0,5 , 2,25) m → → ⏐Δ ជ r ⏐ = (0,5)2 + (2,25)2 m = 2, 3 m

vmedia =

⏐Δ ជ r⏐ 2, 3 m = = 4, 6 m/s Δt 0,5 s

La velocidad media real es mayor que 4,6 m/s porque el espacio recorrido es de más de 2,3 m. 23.

La lanzadera espacial alcanza en el despegue una aceleración de hasta 3g (tres veces el valor de la aceleración de la gravedad en la superficie terrestre). ¿Cuánto tiempo tardaría en alcanzar, a ese ritmo, la velocidad de la luz, c = 3 ⋅ 108 m/s? Dato: g = 9,8 m/s2. Suponiendo que su movimiento sea uniformemente acelerado, la ecuación de la velocidad sería: v = v0 + aTt Si la física clásica fuera válida para velocidades comparables con la de la luz (que no lo es) y se pudiera mantener la aceleración constante aT = 3 g 29,4 m/s2 el tiempo suficiente, la velocidad de la luz en el vacío, «c», se alcanzaría en un tiempo tC tal que: c 3 ⋅ 10 8 m/s c = 0 + 3gt C → t C = = 10, 2 ⋅ 106 s 118 días 3g 3 ⋅ 9, 8 m/s2

24.

En algunos países, las normas que regulan la deceleración que debe sufrir un coche para que salten los airbag han pasado desde valores próximos a los 25g (es decir, unas 25 veces el valor de la aceleración de la gravedad en la superficie de la Tierra o a ≈ −250 m/s2) hasta los 60g que hacen falta hoy día. (La razón está en la peligrosidad del propio dispositivo.) a) ¿A qué velocidad inicial hay que ir para alcanzar esa aceleración (negativa) cuando un coche choca y se detiene bruscamente en 0,1 s? b) ¿Cuál es, entonces, la velocidad mínima a la que salta el airbag?

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SOLUCIONARIO

el movimiento a) Si suponemos que la aceleración es constante, v = v0 + aTt, que en nuestro caso (de frenado hasta v = 0) es 0 = v0 − aT ⋅ tF → → v0 = aTtF con tF = 0,1 s y aT = 60 g : v0 = 60 ⋅ 9,8 m/s2 ⋅ 0,1 s 59 m/s 212 km/h b) Debe quedar claro que el airbag no salta porque se supere ninguna velocidad, sino que es sensible a la aceleración. Si el tiempo de frenado es 0,1 s, esa aceleración límite se alcanza a partir de unos 212 km. 25.

Los fabricantes de una montaña rusa que tiene un tramo en el que podemos viajar cabeza abajo (ver figura inferior) nos aseguran que en dicho tramo la aceleración normal vale 2g, es decir, aN ≈ 2 ⋅ 9,8 m/s2.

a) Si en ese punto se mide para los carritos una velocidad de 50 km/h, ¿cuánto vale el radio de la curva? b) Dibuja el vector ជ. aN aជN

aN =

v2 v2 →R = R aN

En este caso R =

(50 km/h)2 2g

Pero 2 g 19,6 m/s2; y 50 km/h 13,9 m/s. Por tanto: R = 9,8 m. Nota: aជN es perpendicular a la tangente a la trayectoria. 26.

En el instante t1 = 0 h 47 min 27 s, la posición de un cuerpo r1 = (2 , 6 , −3) m. es ជ Una décima de segundo después, en t2 = 0 h 47 min 27,1 s. La posición es ជ r2 = (2,2 , 5,9 , −3,3) m. a) Calcula el desplazamiento (Δជ r ). b) Calcula la velocidad media, v, si es posible. En términos estrictos (ver problema 23) no se puede calcular el espacio recorrido Δs, sino solo el desplazamiento ⏐Δ ជ r ⏐ = ⏐ជ r2 − ជ⏐, r1 pero como el intervalo de tiempo es pequeño en comparación con las magnitudes del problema, el error cometido será pequeño y podremos hacer la aproximación.

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8 Cinemática (I): cómo se describe Tenemos:

r =ជ r2 − ជ r1 = (0,2 , −0,1 , 0,3) m Δជ ⏐Δ ជ r ⏐ = (0,2)2 + (−0,1)2 + (0, 3)2 m 0, 37 m Δt = 0,1 s Con lo que la velocidad media aproximada será: ⏐Δ ជ r⏐ 0,37 m Δs vm = = = 3,7 m/s Δ t 0,1 s Δt 27.

Para un cierto movimiento en el plano: vជ(t ) = (5, 6t ) m/s a) Representa gráficamente los vectores velocidad en t0 = 0 y t1 = 1 s, así como el vector variación de velocidad vជ. ¿Es paralelo o perpendicular a la velocidad inicial? b) Calcula el vector aceleración media en ese intervalo de tiempo y di cuánto vale su módulo. • vជ (t = 0) = (5 , 0) m/s. • vជ (t = 1 s) = (5 , 6) m/s. Δvជ = vជ (1 s) − vជ (0) = (5 , 6) m/s − (5 , 0) m/s → Δvជ = (0 , 6) m/s vជy (m/s)

ជ( 1)

6

v

Δជ v

vជ(0)

0 0

vជx (m/s) 5

Δvជ, la variación de la velocidad, es perpendicular a la velocidad inicial. La aceleración media en ese intervalo será: Δ vជ (0 , 6) m/s aជm = = = (0 , 6) m/s2 Δt 1s Y el módulo es ⏐aជm⏐ = 6 m/s2 (solo tiene un componente). 28.

Un móvil se mueve según la siguiente ley de movimiento: ជ r2 (t ) = (t , 2 + t , t2 ) unidades SI Calcula el vector velocidad media durante los 10 primeros segundos. Δជ r vជm = , pero Δ ជ r =ជ r (t = 10 s) − ជ r (t = 0) → Δt → Δជ r = (10 , 12 , 100) m − (0 , 2 , 0) m = (10 , 10 , 100) m

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SOLUCIONARIO

el movimiento Como Δ t = 10 s:

vជm =

(10 , 10 , 100) m = (1 , 1 , 10) m/s → 10 s

→ vm = 12 + 12 + 102 10,1 m/s 29.

Calcula la aceleración tangencial media de un vehículo que circula a 72 km/h y se detiene en 4 s. Δv 0 − 72 km/h −20 m/s = = = −5 m/s2 Δt 4s 4s Siendo Δ v = vfinal − vinicial. aTM =

30.

Un tren de cercanías es capaz de detenerse completamente en 29 s cuando va a su velocidad máxima de 120 km/h. a) ¿Cuál es su aceleración tangencial media? b) ¿Cuánto tardará en alcanzar esa misma velocidad máxima si al arrancar mantiene una aceleración tangencial constante de 0,7 m/s2? Δv 0 − 120 km/h −33, 3 m/s = = = −1,15 m/s2 Δt 29 s 29 s b) La ecuación de la velocidad para el movimiento uniforme acelerado es: v = v0 + aTt → v − v0 120 km/h − 0 33, 3 m/s = 47,6 s →t = 2 aT 0,7 m/s 0,7 m/s2 a) aTM =

31.

¿Cómo es un movimiento en el que solo haya aceleración tangencial? Pista: en este caso, vជ, que es un vector, solo cambia en módulo, no en dirección. ¿Qué características de este vector permanecen constantes? Si la aceleración normal es nula (aN = 0), el movimiento es rectilíneo. El vector velocidad tiene dirección constante, claro.

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Cinemática (II): algunos tipos de movimiento

PRESENTACIÓN En esta parte de la cinemática se estudian diferentes tipos de movimientos. El análisis cualitativo de un movimiento permite clasificarlo y utilizar las estrategias necesarias para determinarlo cuantitativamente. Además, después del estudio de los diferentes movimientos, rectilíneo uniforme y uniformemente acelerado, circular uniforme, el alumno toma conciencia de las magnitudes necesarias para la descripción del movimiento (posición, velocidad y aceleración) y del carácter determinista de la física clásica en claro contraste con las teorías científicas que llegaron a principios del siglo XX.

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9 Cinemática (II): algunos tipos de OBJETIVOS • Relacionar los contenidos estudiados a lo largo del tema con el movimiento de objetos en el mundo real. • Diferenciar las magnitudes que permanecen constantes y las que varían en un determinado movimiento. • Saber elegir un sistema de referencia adecuado para describir y analizar el movimiento de los cuerpos. • Expresar con números algunas de las características del movimiento de los cuerpos. • Saber predecir la posición o la velocidad de un cuerpo a partir de su estado de movimiento. • Aprender a deducir expresiones matemáticas sencillas que ayuden a describir el movimiento de los cuerpos. • Utilizar vectores para describir con precisión el movimiento de uno o varios cuerpos. • Conocer las características básicas de algunos tipos de movimientos especialmente interesantes: movimiento uniforme, movimiento uniformemente acelerado, movimiento circular uniforme, tiro horizontal, tiro parabólico, etc. • Relacionar los contenidos del tema con el exceso de velocidad en los automóviles.


• • • • • •

El movimiento rectilíneo uniforme (MRU). El movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA). Movimientos bajo aceleración constante. Ecuaciones del movimiento parabólico. El tiro oblicuo. Movimiento relativo. El movimiento circular.

Procedimientos, • Interpretar gráficas. destrezas • Resolver problemas. y habilidades • Cambiar de unidades con soltura. Actitudes

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• Aprecio de la utilidad de aplicar los contenidos de la unidad en los movimientos que observamos cotidianamente. • Interés por comprender las implicaciones de una elevada velocidad a la hora de conducir.

m

e

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movimiento EDUCACIÓN EN VALORES 1. Educación vial El estudio de las leyes del movimiento permite elaborar cálculos sobre las distancias y los tiempos de aceleración y frenado de los diferentes móviles. En la conducción esta información es muy importante porque establece las distancias de seguridad con otros vehículos, y los tiempos de frenado en caso de emergencia. 2. Educación vial Los contenidos de cinemática deben emplearse siempre que sea posible para comprender la importancia de la magnitud velocidad. Aunque conceptos como la distancia de frenado serán tratados más claramente en las unidades de dinámica (y se hablará de la distancia de seguridad y de la influencia del suelo mojado en esta distancia de seguridad), e sta unidad debe aprovecharse también para hablar de la importancia de respetar los límites de velocidad en carretera. No solamente en autopistas o autovías, sino también en población. Sería interesante en este sentido hacer un repaso por los límites de velocidad en distintas vías, sobre todo teniendo en cuenta la edad de los alumnos: algunos (pocos) ya tendrán carné de conducir, otros lo obtendrán en los próximos años, etc. 3. Educación para el consumidor Se asocia el movimiento al desplazamiento de los móviles; sin embargo, el concepto de velocidad y aceleración se puede aplicar a diferentes sectores como la economía: la aceleración o deceleración de la economía de una región, el aumento lineal de IPC... Comprender los conceptos de la cinemática, velocidad y aceleración ayuda a interpretar correctamente el comportamiento creciente o decreciente, acelerado o decelerado del mercado, y ayudar a asumir a un consumo responsable.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN 1. Diferenciar velocidad y aceleración. 2. Interpretar gráficas correspondientes a los movimientos uniforme y uniformemente acelerado. 3. Resolver problemas numéricos utilizando las expresiones matemáticas apropiadas. 4. Conocer las variables de las que dependerá el resultado de un problema. 5. Interpretar esquemas en los que aparecen objetos en movimiento con vectores indicando la dirección y sentido de la velocidad y aceleración. 6. Asociar cada tipo de movimiento con las expresiones matemáticas necesarias para resolver problemas. 7. Asociar cada tipo de movimiento con las magnitudes que se mantienen constantes en él.

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9 Cinemática (II): algunos tipos de 1.

La velocidad de un barco es de 40 nudos. Sabiendo que un nudo corresponde a una velocidad de 1 milla náutica/h y que una milla náutica equivale a 1,852 km, calcula la velocidad del barco en m/s. 40 nudos =

2.

40 millas h

⋅

1h 1852 km 1 000 m ⋅ ⋅ = 20,6 m/s 3 600 s 1 milla 1 km

La ecuación de movimiento de un ciclista durante una contrarreloj es la siguiente: r (t ) = 45 ⋅ t. (El espacio se expresa en km, y el tiempo, en horas.) a) ¿Cuál es la velocidad del ciclista? Expresa el resultado en km/h y en m/s. b) ¿Cuánto tiempo emplea en recorrer 55 km?

s (t ) = 45 t a)

45 km h

s = v ⋅ t (ecuación del movimiento)

; ⋅

10 3 m 1 km

⋅

1h = 12,5 m/s 3 600 s

Para pasar de km/h a m/s se divide por 3,6. b) De la ecuación del movimiento se despeja t.

s = v ⋅ t →t = 3.

s 55 km = = 1,22 h v 45 km/h

La conductora de un camión que circula a una velocidad de 90 km/h observa un obstáculo en la calzada y justo en ese momento pisa el freno, lo que proporciona al vehículo una aceleración constante de −1,5 m/s2. Calcula la distancia desde el camión hasta el obstáculo si el camión se detiene justo a su lado al cabo de 10 s. Es un movimiento rectilíneo uniformemente decelerado. v0 = s = v 0t −

4.

90 km h

⋅

10 3 m 1 km

⋅

1h = 25 m/s 3600 s

1 2 1 at → s = 25 m/s ⋅ 10 s − ⋅ 1,5 m/s2 ⋅ 102 s2 = 175 m 2 2

Se empuja un cuerpo sobre una superficie horizontal hasta que alcanza una velocidad de 5 m/s, tras lo cual se deja libre. A partir de este momento, la única fuerza que actúa sobre él es la fuerza de rozamiento, que lo frena con una aceleración de 0,5 m/s2. Calcula el espacio que recorre hasta pararse y la velocidad después de recorrer 8 m, contando desde que el cuerpo se dejó de impulsar. Es un movimiento rectilíneo uniformemente decelerado. v = v0 − at Si v = 0 → v0 − at = 0 → v0 = at. Por tanto: 5 m/s v t = 0 = = 10 s tarda en pararse 0,5 m/s2 a

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m

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SOLUCIONARIO

movimiento El espacio recorrido hasta pararse es: 1 2 1 at = 5 m/s ⋅ 10 s − ⋅ 0,5 m /s2 ⋅ 102 s2 = 25 m 2 2 La velocidad después de recorrer 8 m se puede calcular con la ecuación: v 02 − v 2 = 2as → v 2 = v 02 − 2as = 2 = 25 (m/s) − 2 ⋅ 0,5 m/s2 ⋅ 8 m = 17 m2/s2 → v = 4,12 m/s s = v 0t −

5.

Si un jugador de baloncesto lanza un tiro libre con un ángulo de 30° respecto a la horizontal desde una altura de 2,20 m sobre el suelo, ¿con qué velocidad ha de lanzar la pelota sabiendo que la distancia horizontal del punto de tiro al aro es de 5 m y que este está a 3,05 m de altura? Es un movimiento parabólico con aceleración constante. vជ0

gជ

30° 3,05 m

e

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⎧⎪ aជ= (0 , −g ) ⎪⎪ ⎪⎨ rជ= (0 , h) ⎪⎪ ⎪⎪⎩ vជ0 = (v0 ⋅ cos α , v0 ⋅ sen α)

La ecuación del movimiento de la pelota es: ជ r = rជ0 + vជ0 t +

5m

r = (0 , h) + (v0 ⋅ cos α , v0 ⋅ sen α) ⋅ t + →ជ

1 2 at → 2

1 (0 , −g )t 2 2

Cuyas componentes son:

x = v0 ⋅ cos α t

;

y = h + v0 ⋅ sen α t −

1 2 gt 2

x , y al sustituir en la segunda v 0 ⋅ cos α se obtiene la ecuación de la trayectoria: x 1 x2 y = h + v 0 ⋅ sen α ⋅ − ⋅g ⋅ 2 v 0 ⋅ cos α v 0 ⋅ cos α 2

Se despeja t de la primera, t =

→ y = h + x ⋅ tg α −

g x2 2v 02 ⋅ cos2 α

Se sustituye y por 3,05 m y x por 5 m y se despeja v0: 9, 8 m/s2 3, 05 m = 2,2 m + 0,57 ⋅ 5 m − ⋅ 25 m2 → 2 ⋅ 0,75 ⋅ v 02 → v 02 =

163, 33 2 2 m /s = 81,66 m2 /s2 = 9, 04 2

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a) ¿Qué debe hacer un jugador de baloncesto para estar el máximo tiempo posible en el aire? ¿Correr muy deprisa antes de saltar? b) Si un determinado jugador puede estar 0,6 s en el aire y sube unos 60 cm, ¿cuál es su velocidad de salto? a) El tiempo que está en el aire depende solo de la velocidad vertical en el momento del salto, y es independiente de la velocidad horizontal (velocidad a la que corre). Lo que debe hacer es impulsarse lo máximo posible hacia arriba. 1 2 gt . 2

b) Ecuación de movimiento del jugador: y = v 0 t − Haciendo y = 0 y sustituyendo t por 0,6 s (tiempo que tarda en subir y bajar) se calcula v0. 0 = v 0t −

1 2 ⎛⎜ 1 ⎞ g t → ⎜⎜v 0 − g ⎟⎟⎟ ⋅ t = 0 → ⎝ 2 2 ⎠ → v0 −

→ v0 =

7.

ជ v0

1 gt = 0 → 2

1 1 ⋅ 9, 8 m/s2 ⋅ 0,6 s = 2, 94 m/s gt = 2 2

Queremos clavar un dardo en una diana cuyo centro está por encima de nuestra mano al lanzar. a) ¿Debemos apuntar directamente al blanco? b) ¿Más arriba? ¿Más abajo? ¿Por qué? a) No, porque el dardo, según recorre distancias horizontales, también recorre distancias verticales, y chocará debajo del punto al que se apunta. b) Hay que apuntar más arriba, de forma que impacte en un punto inferior al que se apunta. Todo ello se puede comprobar a partir de las ecuaciones del movimiento y la figura.

ជ v0

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⎧⎪ x = v 0 x ⋅ t ⎪⎪ ⎨ 1 ⎪⎪ y = v 0 y − g t 2 2 ⎪⎩

m

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SOLUCIONARIO

movimiento 8.

Se puede comprobar que sen α ⋅ cos α = sen 2α. Reescribe la fórmula para el alcance teniendo esto en cuenta y comprueba que el ángulo de lanzamiento para el que el alcance es máximo es de 45°. Representa gráficamente (usando una hoja de cálculo, por ejemplo) varias trayectorias con la misma velocidad inicial y diferente ángulo de lanzamiento y compáralas. A partir de la ecuación del alcance: x =

2v 02 ⋅ sen α ⋅ cos α v 2 ⋅ (2sen α ⋅ cos α) v 2 ⋅ sen 2α = 0 = 0 g g g

Si α = 45°, sen 2α = = sen 90° = 1 v 02 yx = que es el máximo g valor de x.

60° 45° 30°

9.

Contesta: a) ¿Con qué velocidad hay que lanzar un balón de fútbol para que, si lo golpeamos sin efecto y con un ángulo de 45° respecto a la horizontal llegue al otro extremo de un campo de 100 m de largo? b) Cuando el balón va por el aire, ¿a qué distancia del punto de lanzamiento estaría el balón a 1,80 m por encima del suelo? a) A partir de la ecuación del alcance con α = 45°: v 02 ⋅ sen 2α v 02 ⋅ sen 90 º v 02 x = = = g g g v 02 = g x = 9, 8 m/s2 ⋅ 100 m = 980 m2 /s2 → v 0 = 31, 3 m/s b) vជ0

1,8 m

x=2m

1,8 m

x = 98 m

Hay dos puntos a 1,80 m del suelo. Ecuaciones del movimiento del balón: x = v 0 ⋅ cos α t 1 y = v 0 ⋅ sen α t − g t 2 2 Sustituyendo y por 1,8 m y v0 por 31,3 m/s, se despeja t. 1 1, 8 m = 31, 3 m / s ⋅ sen 45° ⋅ t − ⋅ 9, 8 m / s2 ⋅ t 2 2

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9 Cinemática (II): algunos tipos de

m

Al resolver la ecuación resulta: t1 = 0,09 s y t2 = 4,43 s Y los valores corrrespondientes de x son: x1 = 31,3 m/s ⋅ cos 45° ⋅ 0,09 s = 2 m x2 = 31,3 m/s ⋅ cos 45° ⋅ 4,43 s = 98 m La suma de x1 y x2 da 100 m, como debe ser. Ambos puntos se encuentran a 2 m del origen y del final de la trayectoria. 10.

Nos tiran una pelota desde un balcón a 10 m de altura con una velocidad inicial de15,1 km/h con un ángulo de 15° por debajo de la horizontal. a) ¿Dónde y cuándo llega al suelo? b) ¿Y si lo lanzamos con un ángulo de 15° por encima de la horizontal? v0 ⋅ cos α

Y

X

10 m

15° a) v0 = 15,1 km/h = 4,2 m/s v0 ⋅ sen α Ecuación del movimiento v0 de la pelota según el eje Y : 1 y = −v 0 ⋅ sen α t − g t 2 2 Al sustituir y por −10 m se obtiene el tiempo en llegar al suelo: 1 −10 = −4,2 ⋅ sen 15 t − 9, 8 ⋅ t 2 → 2 → 4,9 t 2 + 1,08 t − 10 = 0 → t1 = 1,91 s Ecuación del movimiento de la pelota según el eje X: x = v0 ⋅ cos α t; t = 1,91 s → x = 4,2 m/s ⋅ cos 15° ⋅ 1,91 s = 7,73 m Y

b) La ecuación del movimiento según el eje Y es ahora:

15°

1 2 gt 2 Al sustituir y por −10 m se obtiene: 4,9 t 2 − 1,08 t − 10 = 0 → t1 = 2,13 s Y al sustituir en la ecuación del movimiento según x se obtiene: x = 4,2 m/s ⋅ cos 15° ⋅ 2,13 s = 12,97 m

10 m

y = v 0 ⋅ sen α t −

11.

240

Ahora vas a calcular el alcance máximo, el tiempo de caída, tc, y la altura máxima de una manera diferente. Partiendo de las ecuaciones ya conocidas, calcula el tiempo t1/2 en el que se alcanza la altura máxima aprovechando que para él se cumple vy = 0. Eso te permite obtener la altura máxima y, gracias a la simetría del problema ya tienes la mitad de tc y puedes calcular el alcance máximo.

X

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SOLUCIONARIO

movimiento Partiendo de las ecuaciones: ⎧⎪ x = v 0 ⋅ cos α t ; ⎨ ⎩⎪⎪v x = v 0 ⋅ cos α

⎪⎧⎪ 1 2 ⎪⎨ y = v 0 ⋅ sen α t − g t 2 ⎪⎪ sen α v = v ⋅ − g t 0 ⎪⎩ y

para calcular el tiempo pedido se hace vy = 0: v ⋅ sen α v 0 ⋅ sen α − gt = 0 → t = 0 g Al sustituir en y se obtiene la altura máxima: v ⋅ sen α 1 v 2 ⋅ sen α 1 v 02 ⋅ sen2 α y = v 0 ⋅ sen α ⋅ 0 − g 0 2 = g 2 2 g g El alcance máximo se obtiene al sustituir el doble del tiempo calculado antes en la ecuación de y : 2v ⋅ sen α 2v 02 ⋅ sen α ⋅ cos α v 2 ⋅ sen 2α x = v 0 ⋅ cos α ⋅ 0 = = 0 g g g 12.

Se deja caer una pelota desde la azotea de un edificio de 44 m de altura: a) Calcula el tiempo que tarda la pelota en llegar al suelo. b) ¿Con qué velocidad (expresada en km/h) llega al suelo la pelota del apartado anterior? a) La ecuación del movimiento tomando el origen de coordenadas en la superficie de la Tierra es: 1 y = y0 − gt 2 ( y 0 = 44 m) 2 Cuando la pelota llega al suelo y = 0. 1 0 = y0 − gt 2 → t = 2

2y 0 = g

v0 = 0

y0

2 ⋅ 44 m =3s 9, 8 m/s2

b) v = −g t = −9,8 m/s2 ⋅ 3 s = −29,4 m/s (hacia abajo) 13.

Una bola que rueda sobre una mesa con una velocidad de 0,5 m/s cae al suelo al llegar al borde. Si la altura de la mesa es de 80 cm, calcula: a) El tiempo que tarda en caer. b) La distancia horizontal recorrida desde la vertical de la mesa hasta el punto en el que la bola choca con el suelo. a) Las ecuaciones del movimiento de la bola son: ⎧⎪ x = v 0 t ⎪⎪ ⎨ 1 ⎪⎪ y = − g t 2 2 ⎪⎩

v0 = 0,5 m/s

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9 Cinemática (II): algunos tipos de Haciendo y = −0,8 m se calcula el tiempo que tarda en caer: −0, 8 = −

1 2 ⋅ 0, 8 m 9, 8 t 2 → t = = 0, 4 s 2 9, 8 m/s2

b) Y la distancia recorrida es: x = v0 t = 0,5 m/s ⋅ 0,4 s = 0,2 m 14.

Un futbolista chuta hacia la portería con una velocidad inicial de 17 m/s y un ángulo de tiro con la horizontal de 45°, calcula: a) El alcance máximo. b) El tiempo de vuelo. Y ជ v0

45° X

a) Alcance → x =

v 02 ⋅ sen 2α (17 m/s)2 ⋅ sen 90° = = 29,5 m g 9, 8 m/s2

b) T. de vuelo → t =

15.

2v 0 ⋅ sen α 2 ⋅ 17 m /s ⋅ sen 45° = = 2, 45 g 9, 8 m /s2

Nos tiran horizontalmente una pelota desde un balcón a 10 m de altura sobre el suelo y cae a 6 metros de la vertical de la terraza.

y (m) 10

ជ v0

a) ¿Cuánto tarda en llegar al suelo? b) ¿Con qué velocidad se lanzó? a) Ecuaciones del movimiento de la pelota: ⎧⎪ x = v 0 t 0 ⎪⎪ 0 6 ⎨ 1 2 ⎪⎪ y = − g t (origen en el balcón) 2 ⎪⎩ De la segunda, al sustituir y por −10 m se obtiene el tiempo que tarda en llegar al suelo: t = b) De la primera: v 0 =

242

−2 y = g

2 ⋅ 10 m = 1, 43 s 9, 8 m/s2

x 6m = = 4,20 m/s t 1, 43 s

x (m)

m

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SOLUCIONARIO

movimiento 16.

Determina si las siguientes frases son verdaderas o falsas: a) La velocidad angular se mide en rad/s. b) La velocidad lineal de un punto de la circunferencia se puede medir con el ángulo recorrido por unidad de tiempo. c) Todos los radios de una rueda de bicicleta tienen la misma velocidad angular. ϕ ; ϕ en rad y t en s. t b) Falso. Se mide en m/s (velocidad lineal). c) Verdadero. Todos giran el mismo ángulo en el mismo tiempo. a) Verdadero. ω =

17.

Un disco de 40 cm de radio gira a 33 rpm. Calcula: a) La velocidad angular en rad/s. b) La velocidad angular en rad/s en un punto situado a 20 cm del centro. c) El número de vueltas por minuto. a) ω = 33 v /min ⋅

1 2 π rad ⋅ = 1,1π rad/s 60 s 1 v

b) La misma (ω no varía con R). Es v la que varía con R (v = ωR). c) ϕ = ω t = 1,1 rad/s ⋅ 60 s = 66π rad El número de vueltas es: ϕ 66 π N = = = 33 vueltas (como decía el enunciado) 2π 2π 18.

En el siguiente esquema reconoce: a) La aceleración normal. b) La velocidad lineal. c) El ángulo recorrido y el radio. Respuesta gráfica. ជ v

aជN α

R

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Calcula la velocidad lineal del borde de una rueda de 75 cm de diámetro si gira a 000 rpm. 1000 ⋅ 2 π rad/s = 33, 3 π rad/s → 60 → v = ωR = 33, 3 π rad/s ⋅ 0,75 m = 78,54 m/s

1000 rpm =

20.

Dos niños van montados en dos caballitos que giran solidarios con la plataforma de un tiovivo con ω = 4 rpm. Si la distancia de los caballos al eje de giro es de 2 y 3 m, calcula: a) La velocidad angular en rad/s. b) El número de vueltas que dan los niños en cinco minutos. c) El espacio recorrido por cada uno de ellos en ese tiempo. d) ¿Qué niño se mueve con mayor aceleración total? a) ω = 4 rpm =

4 ⋅ 2π rad/s = 0,13 π rad/s 60

b) Si dan 4 vueltas en 1 minuto, en 30 minutos darían 120 vueltas. c) s1 = ϕ ⋅ R1 = 2π ⋅ 120 ⋅ 2 m = 1507,96 m s2 = ϕ ⋅ R2 = 2π ⋅ 120 ⋅ 3 m = 2261,94 m v2 = ω2R. d) Ambos tienen solo aceleración normal: a N = R Como ambos tienen la misma ω, tendrá mayor aceleración el que se encuentra más lejos, o sea, el caballo situado a 3 m. 21.

Una rueda que gira a 300 rpm es frenada y se detiene completamente a los 10 s. Calcula: a) La aceleración angular. b) La velocidad a los 3 s después de comenzar el frenado. c) El número de vueltas que da hasta que frena. 2 π rad 1 min ⋅ ⋅ = 10 π rad/s 60 s 1 min 1 rev Δω 10 π rad/s a) α = = = π rad/s Δt 10 s b) ω = ω0 − α ⋅ t = 10 π rad/s − π rad/s2 ⋅ 3 s = 7 π rad/s 300 rev

c) ω = 0 → 0 = ω 0 − α ⋅ t → t = θ = ω0 ⋅ t -

244

ω0 10 π rad/s = = 10 s α π rad/s2

1 1 α ⋅ t 2 = 10π ⋅ 10 − π ⋅ 102 = 50 π rad = 25 vue eltas 2 2

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SOLUCIONARIO

movimiento 22.

Se deja caer una rueda de 30 cm de radio por un plano inclinado, de forma que su velocidad angular aumenta a un ritmo constante. Si la rueda parte del reposo y llega al final del plano al cabo de 5 s con una velocidad angular de π rad/s, calcula: a) La aceleración angular. b) La velocidad angular a los 3 s. c) La aceleración tangencial y normal al final del plano. a) Es un movimiento circular y uniformemente acelerado. Δω π rad/s π α= = = rad/s2 Δt 5s 5 b) ω = αt =

π rad/s2 ⋅ 3 s = 0,6 π rad/s 5

c) a N = ω2 ⋅ R = (0,6)2 π2 (rad/s)2 ⋅ 0, 3 m = 1, 07 m/s2 aT = α ⋅ R =

23.

π (rad/s2 ) ⋅ 0, 3 m = 0,18 m/s2 5

Demuestra las relaciones: a) ω2 − ω02 = 2αθ b) ω02 + ω2 = 2αθ Movimiento con ω creciente: ⎧⎪ω = ω 0 + αt ⎪⎪ ⎨ 1 ⎪⎪ϕ = ω 0 t + αt 2 2 ⎪⎩ Se despeja t en la primera y se sustituye en la segunda. t =

ω − ω0 → ϕ = ω0 α

→ϕ=

⎛ ω − ω0 ⋅ ⎜⎜⎜ ⎝ α

⎞⎟ 1 (ω − ω 0 )2 ⎟⎟ + → α ⎠ 2 α2

ω ⋅ ω 0 − ω02 ω2 + ω02 − 2ωω 0 ω2 − ω02 + = → α 2α 2α → ω2 − ω02 = 2α ϕ

De la misma manera, partiendo de: ⎪⎧⎪ω = ω 0 − αt ⎪⎨ 1 ⎪⎪ϕ = ω 0 t − αt 2 2 ⎪⎩ Para movimiento con ω decreciente se obtiene: ω02 − ω2 = 2α ϕ

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Una pelota que se suelta desde una cierta altura tarda 10 segundos en caer al suelo. a) ¿Durante cuál de esos 10 segundos se produce un mayor incremento de la velocidad? b) ¿Y del espacio recorrido? a) Δv = a ⋅ Δt. La aceleración es g = 9,8 m/s2. La variación de la velocidad para cada Δt = 1 s es Δv = 9,8 m/s, es decir, siempre la misma. La velocidad va aumentando cada segundo en 9,8 m/s. b) La velocidad cada segundo es mayor y el espacio recorrido en ese segundo también lo es. El mayor incremento en el espacio recorrido ocurre en el último segundo. Todo ello se puede deducir de la expresión: 1 g ⋅ (Δt )2 2 donde v0 es la velocidad al comienzo de cada intervalo de tiempo, al final del segmento anterior al que se va a calcular s, y Δt = 1 s. s = v 0 ⋅ Δt +

25.

Se dejan caer dos bolas de acero de masas 5 kg y 20 kg. a) ¿Cuál de ellas llegará antes al suelo? b) ¿Cuál llegará con una mayor velocidad? a) Ambas llegan a la vez. La aceleración es igual para las dos e igual a g. El tiempo que tardan en llegar al suelo es: s =

1 gt 2 2

→ t =

2s g

Como se ve en la ecuación anterior el tiempo no depende de la masa. b) Ambos llegan con la misma velocidad: v = g t, independientemente de su masa. 26.

Contesta: a) ¿Qué tipo de movimientos se dan cuando la velocidad y la aceleración tienen el mismo sentido? b) ¿Y si es distinto? Pon ejemplos. a)

aជ F

vជ F

Se trata de un movimiento rectilíneo donde la velocidad crece con el tiempo. Ejemplo: un coche que se mueve por una carretera recta acelerando o un cuerpo que se deja caer desde cierta altura.

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SOLUCIONARIO

movimiento b)

G

aជ

vជ

F

Se trata de un movimiento rectilíneo como antes, pero de velocidad decreciente. Ejemplo: lanzamiento vertical y hacia arriba de un cuerpo. 27.

¿Qué es lo más peligroso en un choque: la velocidad o la aceleración? La velocidad. Un coche puede estar prácticamente parado y tener aceleración (al arrancar, por ejemplo). En este caso, el choque no sería muy peligroso.

28.

Contesta: a) ¿Puede tener un automóvil su velocidad dirigida hacia el norte y sin embargo la aceleración estar dirigida hacia el sur? b) ¿Y hacia el este? c) ¿Cómo serían estos movimientos? vជ a) Sí, sería un movimiento hacia el norte con velocidad decreciente. El movimiento sería rectilíneo. aជ N

b) Sí. Su movimiento segiría una trayectoria parabólica, como se indica en el dibujo. La dirección de la aceleración respecto a la velocidad puede ser cualquiera.

vជ

aជ

E

c) El primero es rectilíneo, y el segundo, parabólico. 29.

¿Qué dirección tiene la aceleración de un cuerpo que es lanzado con determinada velocidad formando un ángulo α con la superficie de la Tierra? Haz un esquema que aclare la respuesta. La aceleración siempre apunta hacia la superficie de la Tierra (perpendicular a la misma y dirigida hacia el centro). Y

vជ

α

gជ

gជ gជ

X

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Se deja caer un cuerpo desde una altura h a la vez que se lanza otro objeto desde el mismo punto con velocidad horizontal v0. a) ¿Cuál de los dos llega antes a la superficie de la Tierra? b) Haz un esquema. a) Llegan a la vez. El movimiento horizontal no afecta al vertical. b) v0 v =0 0

1 2 ⎪⎧⎪ ⎪⎨ y = y 0 − g t 2 ⎪⎪ y0 ⎪⎩ x = 0

⎪⎧⎪ x = v 0t ⎪⎨ 1 ⎪⎪ y = y 0 − g t 2 ⎪⎩ 2

Ecuaciones del cuerpo que se deja caer sin velocidad inical.

Ecuaciones del cuerpo al que se le da una velocidad horizontal.

En lo que respecta al movimiento vertical, la ecuación de movimiento 1 es la misma para ambos: y = y 0 − g t 2. 2 31.

Si queremos cruzar transversalmente un río a nado, ¿qué debemos hacer? Nadar en una dirección de forma que la suma de la velocidad de la corriente y la del nadador sea perpendicular a la corriente.

32.

vជnadador

vជtotal vជC

La lanzadera espacial Endeavour dio 142 vueltas a la Tierra en 8 días y 22 horas a una altura media de 463 km. Sabiendo que el radio medio de la Tierra es de 6 370 km. a) Haz un esquema con las velocidades orbitales de la nave (lineal y angular), así como la aceleración normal, an, en la órbita. b) ¿Por qué el valor de an se parece tanto al valor de la aceleración de la gravedad en la superficie terrestre, g? Ayuda: ¿Hay «gravedad» en órbita? ¿A qué fuerza se debe esa aceleración de la nave?

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SOLUCIONARIO

movimiento ϕ 142 ⋅ 2 π rad 284 π rad d = = = t 770 400 s (8 ⋅ 24 ⋅ 60 ⋅ 60 + 22 ⋅ 60 ⋅ 60) s = 3,68 ⋅ 10−4 π rad/s v = ω ⋅ R = 3,68 ⋅ 10−4π rad/s ⋅ (463 000 m + 6 370 000 m) = = 7899,67 m/s

a) ω =

a N = ω2 ⋅ R = (3,68 ⋅ 10−4π rad/s)2 ⋅ (463000 m + 6 370 000 m) = = 9,13 m/s2 m b) Para un satélite en órbita se cumple s que F = m ⋅ aN, donde F es la fuerza gravitatoria. M F Mm v2 d = m → d2 d M v2 → g =G 2 = = aN d d La intensidad del campo gravitatorio g a una distancia d del centro de la Tierra es igual a la aceleración normal del satélite. Como el satélite se encuentra cerca de la superficie de la Tierra (en comparación con el radio), el valor de la aceleración normal es parecido al valor de g en la superficie, es decir, 9,8 m/s2: G

g =G 33.

M M ⯝G 2 2 (RT + h) RT

; RT + h = d

Se lanza horizontalmente un proyectil con una cierta velocidad inicial. a) Demuestra lo que sucede con el alcance del proyectil si se dobla la velocidad de lanzamiento. Y b) ¿También se dobla el alcance? v0 a) El tiempo de caída es independiente de la velocidad horizontal v0; solo depende de la altura y0. Ecuaciones del movimiento del proyectil: ⎧⎪ x = v 0t ⎪⎪ 1 ⎨ ⎪⎪ y = y 0 − g t 2 ⎪⎩ 2 Haciendo y = 0 se obtiene el tiempo de caída: t =

X

2y 0 g

b) Al duplicar la velocidad de lanzamiento se duplica el alcance. x = v0 ⋅

2y 0 . Así: x * = 2v 0 ⋅ g

vlanzamiento → v0

2y 0 para 2v0; x* = 2x. g vlanzamiento → 2v0

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9 Cinemática (II): algunos tipos de B

F

Un móvil se mueve con velocidad lineal constante siguiendo semicircunferencias, tal y como muestra el esquema. F

F

F

F

I

E

G

C F

F

H

F

v yជ a a) Dibuja los vectores ជ en los puntos indicados. A b) ¿En qué punto será más elevada la velocidad angular? c) ¿Y la aceleración centrípeta? d) Dibuja un esquema similar para el caso de que el móvil se mueva con velocidad angular constante.

F

34.

F

D

a) vជ ya está dibujado (vectores en azul). La aceleración normal en cada punto va dirigida hacia el centro de la circunferencia correspondiente.

A

F

F

F

F

F

F

B

I

E

G F

F

F

H

C

F

D

v . La velocidad angular es mayor para r pequeños. r La velocidad angular es mayor en G, H e I. v2 c) a N = . Cuanto mayor es v y menor es r, mayor es aN. r En este caso, v = cte., por lo que aN será mayor en las curvas de menor radio, es decir, en G, H e I. d) Si la velocidad angular es constante, la velocidad lineal disminuye cuando disminuye el radio: v = ω ⋅ R. b) ω =

35.

Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) En un MUA la velocidad tiene siempre la misma dirección que la aceleración. r frente a t siempre b) En un MUA la representación gráfica de Δជ es una parábola, aunque el movimiento sea retardado.

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movimiento c) En el punto más elevado de la trayectoria de un proyectil la velocidad total es nula. d) En el punto más elevado de la trayectoria de un proyectil la velocidad vertical es nula. e) El alcance de un proyectil solo depende de la velocidad inicial. f) El alcance de un proyectil depende del ángulo α de lanzamiento. a) b) c) d) e) f) 36.

Falso. vជ y aជ pueden tener cualquier dirección. Verdadero. Falso. Es nula la velocidad vertical. Verdadero. Falso. Depende de la velocidad inicial y del ángulo. Verdadero, aunque también depende de la velocidad inicial v0.

Un coche A parte del punto kilométrico cero de una carretera a las 10:40 h con una velocidad constante de 80 km/h. Media hora más tarde otro coche B parte a su encuentro desde el mismo punto con una velocidad de 100 km/h. a) Calcula el punto kilométrico de la carretera en que están situados ambos vehículos y el tiempo que transcurre hasta encontrarse. b) ¿Qué velocidad debería llevar el coche B para que se encuentren en el punto kilométrico 180? 10:40 0

v A = 80 km/h; v B = 100 km/h a) Cuando los coches se encuentran la posición de ambos es la misma. sA = vAt ; sB = vB ⋅ (t − 0,5) → 80 t = 100 ⋅ (t − 0,5) → → 80 t = 100 t − 50 → 20 t = 50 → t = 2,5 h sA = sB = 80 km/h ⋅ 2,5 h = 200 km b) sB = vB ⋅ (t − 0,5); sA = vAt. t =

37.

sA 180 km sB 180 km = = 2,25 h ; v B = = = 102, 8 km/h vA 80 km/h t − 0,5 1,75 h

Un pescador quiere atravesar un río de 100 m de ancho para lo cual dispone de una lancha. a) Si la velocidad de la corriente es de 3 m/s, ¿a qué distancia aguas abajo del punto de partida se encuentra el pescador cuando consigue atravesar el río? b) ¿Influiría la velocidad de la corriente en el tiempo que se tarda en atravesar el río?

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9 Cinemática (II): algunos tipos de a) La distancia depende de la velocidad de la barca (vជB). b) No, solo interviene la velocidad de la barca perpendicular al río: vជB. tg α = vជ

x → x = d ⋅ tg α d

Por otro lado: tg α =

vជB α

Entonces:

vជC

x = d ⋅ tg α = d

38.

vB vC

vB v → x = 100 m ⋅ B vC vC

En el anuncio de un nuevo modelo de coche se dice que es capaz de pasar de cero a 100 km/h en 6 s. a) Calcula la aceleración media. b) Calcula el espacio que recorre durante este tiempo. a) 100 km/h = b) s =

39.

100 Δv 27,7 m/s m/s = 27,7 m/s → a = = = 4,6 m/s2 3,6 Δt 6s

1 2 1 at = 4,6 m/s2 ⋅ 62 s2 = 82, 8 m 2 2

Representa gráficamente la velocidad y la posición frente al tiempo para el caso de un cuerpo que cae bajo la acción de la gravedad desde una altura de 100 m. s (m)

v (m/s) 100

50 40 30 20

10

10

t (s)

0 0

1

2

3

4

⎧⎪ ⎪⎪ y = 1 g t 2 ⎨ 2 → t = ⎪⎪ ⎪⎩v = gt = 44, 3 m

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t (s)

0

5

0

2y = g

1

2

3

200 m = 4,5 s 9, 8 m /s2

4

5

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SOLUCIONARIO

movimiento 40.

En un planeta un cuerpo lanzado hacia arriba con una velocidad inicial de 20 m/s tarda 20 s en volver a su superficie. Calcula la aceleración de la gravedad en la superficie de dicho planeta. Ecuación que liga v y v0:

v = v0 − g* · t Cuando el cuerpo alcanza la máxima altura (a los 10 s de ser lanzado) v = 0: 0 = 20 m/s − g* · 10 s → → g* =

41.

20 m/s = 2 m/s2 10 s

vជ0

gជ

Un electrón que se mueve con una velocidad de 3 ⋅ 105 m/s frena debido a la existencia de otras cargas. a) Si la aceleración de frenado es de 106 cm/s2, ¿cuánto tiempo tardará el electrón en reducir la velocidad a la mitad? b) ¿Y en parar? c) Compara los resultados obtenidos y explica por qué ambos tiempos son iguales. a) v = 3 ⋅ 105 m/s; a = 106 cm/s2 = 104 m/s2 v v0 3 ⋅ 105 m /s = 15 s = v 0 − at → t = 0 = 2 2a 2 ⋅ 10 4 m /s2 v 3 ⋅ 105 m/s b) 0 = v 0 − at → t = 0 = = 30 s a 10 4 m/s2

v = v 0 − at →

c) El tiempo que se pide es el tiempo desde que la velocidad es la mitad hasta parar. Y este tiempo es igual al que tarde desde el inicio hasta que la velocidad es la mitad. 42.

El cuerpo humano puede soportar una deceleración brusca de hasta 250 m/s2 (aproximadamente veinticinco veces la aceleración de la gravedad) sin sufrir daño. Si un automóvil se desplaza a 90 km/h y sufre una colisión que lo detiene casi instantáneamente salta el airbag que se encuentra alojado en el volante. Calcula la distancia mínima que recorre el cuerpo del conductor antes de pararse, suponiendo que la deceleración a la que va a estar sometido durante el choque es la máxima que soporta. 90 km/h = 25 m/s.

v 2 = 2as → s =

v2 252 (m/s)2 = = 1,25 m 2a 2 ⋅ 250 m/s2

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El tiempo transcurrido desde que se deja caer una piedra a un pozo hasta que se oye el sonido que produce al chocar con el agua es de 4 s. Con estos datos halla la profundidad del pozo. La velocidad del sonido en el aire es de 340 m/s. 2h g h = vs

t piedra en bajar = t sonido en subir

⎫⎪ ⎪ ⎪⎪⎪ ⎬t T = t p + t s ⎪⎪ ⎪⎪ ⎪⎭

h

2h h + = tT → g vs → → →

2h h = tT − → g vs

2h h2 2ht T = t T2 + 2 − → g vs vs

⎛ 8 h 2 ⎛⎜ 2t T 2⎞ h2 2 ⎞⎟ ⎟⎟ ⋅ h + 16 = 0 → −⎜ + ⎟⎟⎟ ⋅ h + t T2 = 0 → − ⎜⎜ + 2 2 ⎜ ⎜ ⎝ 340 vs ⎝ vs g ⎟⎠ 340 9, 8 ⎟⎠ → 8,6505 ⋅ 10−6 ⋅ h 2 − 0,2276 h + 16 = 0 → h = 70,5 m

44.

Un haz de iones positivos que posee una velocidad de 1,5 ⋅ 104 m/s entra en una región y acelera. Se precisa que en 25 ms los iones alcancen un cátodo situado a 80 cm. a) Dibuja un esquema del ejercicio. b) Calcula la aceleración constante que hay que comunicarles. c) Halla la velocidad con que llegan el cátodo. a) vជ0

t = 25 ms

aជ s = 80 cm

b) Ecuaciones del movimiento: s = v0t + →a=

2 ⋅ (s − v 0 t ) 1 2 at → a = → 2 t2

2 ⋅ (0, 8 m − 1,5 ⋅ 10 4 m/s ⋅ 2,5 ⋅ 10−2 s) = −1,2 m/s2 (2,5 ⋅ 10−2)2 s2

c) v = v 0 + at = 1,5 ⋅ 104 m/s − 1,2 m/s2 ⋅ 2,5 ⋅ 10−2 ms = 1,49 ⋅ 104 m/s

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SOLUCIONARIO

movimiento 45.

Un balón es lanzado con un ángulo de 60° por encima de la horizontal y recorre una longitud de 50 m en el campo de fútbol. a) Dibuja un esquema del ejercicio. b) Calcula la velocidad inicial. c) ¿Qué altura alcanzó? a)

60° 50 m

v 02 ⋅ sen 2α b) x mayor = → g 9, 8 m /s2 ⋅ 50 m g ⋅x = → v 02 = → v 0 = 23, 8 m /s sen 2α sen 120° v 02 ⋅ sen 2α (23, 8 m /s)2 ⋅ sen2 120° = 21,7 m = c) y mayor = 2g 2 ⋅ 9, 8 m /s2 46.

¿Qué aceleración actúa sobre un electrón en el «cañón de electrones» de un televisor que alcanza el 10 % de la velocidad de la luz en un espacio de 10 cm? Especifica claramente las suposiciones que has hecho para resolver este ejercicio. 10 % de c = 30 000 km/s = 8333,3 m/s. Por tanto: v2 (8333, 3)2 (m/s)2 = = 347 222,2 m/s2 2s 2 ⋅ 0,1 m Se supone que se cumplen las leyes de Newton hasta v ≈ 10 % de c.

v 2 = 2as → a =

47.

Un niño que se encuentra en la calle ve caer una pelota verticalmente desde la terraza de una casa. Si el niño se encuentra a 4 m de la pared y la altura de la casa es 15 m, calcula a qué velocidad media debe correr para atraparla antes de que llegue al suelo. Dibuja un esquema de la situación. 1 Ecuación del movimiento de la pelota: y = h − g t 2 2 Haciendo y = 0 se calcula el tiempo que invierte v0 = 0 el cuerpo en llegar al suelo: h = 15 m

gជ

2h 30 1 = = 1,75 s 0 = h − gt2 →t = 9, 8 g 2 La velocidad a la que debe correr el niño es: 4m v = = 2, 3 m/s 1,75 s

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Demuestra las expresiones a) y b) siguientes a partir de las ecuaciones de la velocidad y el espacio recorrido en un MRUA: 1 2 at 2 b) v 02 − v 2 = 2ay

• v = v0 ± at

• s = v 0t ±

a) v 2 − v 02 = 2ay

1 2 at . 2 Se despeja + en la primera y se sustituye en la segunda: ⎛ v − v 0 ⎞⎟ 1 v − v0 (v − v 0)2 ⎟⎟ + a ⋅ t = → s = v 0 ⋅ ⎜⎜⎜ → v 2 − v 02 = 2as ⎝ a ⎠ 2 a a2 Con el signo «+»: v = v 0 + at ; s = v 0 t +

Con el signo «−» se hace de la misma forma.

49.

El barco del problema 1 de la página 209 (v = 40 nudos) sale a faenar desde el puerto de Vigo (Pontevedra) y se aleja 150 km de la costa. Allí permanece pescando durante 12 h y luego regresa al puerto con una velocidad constante de 30 nudos. Representa gráficamente la velocidad y la posición frente al tiempo durante todo el trayecto (ida y vuelta). 1852 m/s = 0,5 m/s 3600 v1 = 40 nudos = 20 m/s; v2 = 30 nudos = 15 m/s.

1 nudo = 1852 milla/h =

t1 = t2 =

s 150 000 m = = 7500 s = 125 min = 2 h 5 min v1 20 m /s

s 150 000 m = = 10 000 s = 166,6 min = 2 h 46 miin v2 15 m/s

v (m/s) 20 15 10 5

t

0 2 h 5 min

14 h 5 min 16 h 51,6 min

2 h 5 min

14 h 5 min 16 h 51,6 min

s (km) 150

t

0

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SOLUCIONARIO

movimiento 50.

Escribe la ecuación de movimiento de un móvil que parte del punto (2 , 3) km y, tras 2 horas moviéndose en línea recta, llega al punto (6, 9) km. a) ¿Cuál es el vector velocidad del móvil? b) ¿Cuál es el módulo de la velocidad? Expresa el resultado en km/h.

r0 + ជ vt a) rជ= ជ vជ= (6 , 9) km ជ r0 = (2 , 3) km Por tanto:

vជ=

rជ− ជ r0 (4 , 6) (6 , 9) − (2 , 3) = km/h= km/h = (2 , 3) km/h t 2 2 y

(6 , 9)

8

d

6

ជ v

4 (2 , 3) 2

x

0 0

b) |vជ| = 22 + 32 =

2

4

6

8

13 = 3,6 km/h

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NOTAS

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Las leyes de Newton

PRESENTACIÓN La dinámica complementa el estudio de la cinemática en la asignatura de física y química de 1.º de Bachillerato. En dinámica se analizan las causas que originan el movimiento y se introducen los conceptos de momento lineal y fuerza. El estudio de la dinámica comienza con las leyes de Newton que, descritas en su obra Principios Matemáticos de Filosofía Natural, explican el movimiento de cuerpos celestes y terrestres y son el origen de la física moderna. Con la dinámica el alumno se interna en la explicación físico-matemática del mundo que le rodea: no solo observa y describe desplazamientos, velocidades y aceleraciones, sino que comienza a encontrar las fuerzas que los originan o cambian su condición de movimiento. Las leyes enunciadas son uno de los pilares de la física, y su aplicación ha permitido enunciar numerosas leyes en campos muy diversos. Es importante destacar la introducción del principio de conservación del momento lineal, una magnitud con la que muchos alumnos no están acostumbrados a trabajar de momento, pero que resulta muy útil en todos los campos de la física.

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10 Las leyes de Newton OBJETIVOS • Conocer la evolución de los conceptos de fuerza y de inercia. • Conocer cuáles son las causas del movimiento de los cuerpos y del cambio en el estado de su movimiento. • Comprender la importancia de la física para abordar numerosas situaciones cotidianas y participar en la toma de decisiones fundamentadas. • Reconocer el carácter creativo del trabajo científico y valorar las aportaciones de los grandes debates científicos al desarrollo del pensamiento humano. • Aprender a sumar y restar de manera gráfica fuerzas de cualquier dirección. • Utilizar las leyes de Newton para resolver problemas. • Utilizar el teorema de conservación del momento lineal para resolver problemas • Relacionar la tercera ley de Newton con la conservación del momento lineal.


• La inercia y la primera ley de Newton. Primeras ideas sobre las causas del movimiento: la inercia. La contribución de Galileo. • La primera ley de Newton. La segunda ley de Newton. • Las fuerzas son vectores. Las fuerzas son aditivas. • El peso. • Los efectos de la fuerza: el cambio en la velocidad. • El impulso mecánico. • Momento lineal (o cantidad de movimiento). Relación entre el momento lineal y la fuerza • La conservación del momento lineal. • Las fuerzas como interacciones. La tercera ley de Newton. La tercera ley de Newton y la conservación del momento lineal. • La fuerza normal.

Procedimientos, • Comprender y utilizar el carácter vectorial de las fuerzas. destrezas • Identificar fuerza y causa del cambio de velocidad de un cuerpo. y habilidades • Calcular gráficamente la fuerza neta resultante de sumar vectorialmente varias fuerzas. • Resolver problemas numéricos en los que aparecen fuerzas con diferentes direcciones. • Interpretar esquemas a la hora de resolver problemas. • Dibujar las fuerzas que actúan sobre un cuerpo.

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• Elaborar esquemas claros que faciliten la resolución de problemas en los que intervienen fuerzas. • Saber elegir los ejes más apropiados para la resolución de un problema en el que aparecen fuerzas con distintas direcciones.

Actitudes

• Mostrar interés por aprender conceptos científicos nuevos. • Mostar interés por aplicar los contenidos aprendidos en la vida cotidiana. • Disfrutar de la sencillez con las que las tres leyes de Newton explican y completan la dinámica clásica de los cuerpos en movimiento. • Valorar la importante del conocimiento de las fuerzas, los pesos, etc., en cuestiones de ingeniería.

EDUCACIÓN EN VALORES 1. Educación vial El problema de los accidentes de tráfico entre los jóvenes es lo suficientemente importante como para tratarlo en varias unidades a lo largo del curso. El concepto de inercia nos permitirá informar a los alumnos sobre las magnitudes de las que depende la distancia que recorre un vehículo hasta pararse: fuerzas que ejercen los frenos o fuerza de rozamiento (aunque esta será tratada con más detalle en la unidad siguiente). El concepto clave a transmitir es que cuanto mayor sea la velocidad inicial, más difícil resulta detener un vehículo.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN 1. Elaborar esquemas que muestran las fuerzas que actúan sobre un cuerpo. 2. Resolver problemas numéricos en los que intervienen fuerzas que actúan en la misma o en distintas direcciones. 3. Identificar la dirección y sentido de la fuerza resultante que actúa sobre un cuerpo a partir de las demás fuerzas. 4. Emplear las razones trigonométricas convenientemente para descomponer fuerzas. 5. Identificar las fuerzas acción-reacción. 6. Explicar el concepto de interacción. 7. Predecir el estado de movimiento de un cuerpo a partir de las fuerzas que actúan sobre él. 8. Predecir el valor y la orientación de la fuerza necesaria para hacer que un cuerpo permanezca en reposo, ya sea situado en un plano horizontal o bien cuando está situado en un plano inclinado.

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10 Las leyes de Newton 1.

Las naves que se envían al espacio se mueven durante mucho tiempo libremente, sin que se ejerza ninguna fuerza sobre ellas. a) ¿Cómo será entonces su movimiento? b) ¿Cómo puede modificarse su estado de movimiento? c) ¿Gastan combustible continuamente? a) Que no actúen sus motores no quiere decir que se muevan «libremente», es decir, que no actúe ninguna fuerza sobre las naves, lo que requeriría que se pudiera ignorar la influencia del Sol, los planetas… En ese caso, si la influencia de los cuerpos celestes fuera despreciable, el movimiento sería inercial (al menos aproximadamente), es decir, rectilíneo y uniforme. En realidad, las naves espaciales que hemos enviado no siguen trayectorias de este tipo. b) Para modificar el estado de movimiento de un cuerpo siempre hace falta la interacción con otro (u otros), es decir, una fuerza (o fuerzas). En las naves espaciales eso sucede de dos maneras. A veces se encienden los motores para maniobrar y, a menudo, a la vez, la nave se acerca a algún cuerpo (como un planeta) cuya fuerza gravitatoria se hace entonces notable. c) Las naves espaciales solo necesitan energía cuando hay que modificar su estado de movimiento.

2.

Di qué frases son verdaderas: a) Siempre que un objeto se mueve está actuando una fuerza neta sobre él. b) Siempre que un objeto se mueve es porque no actúa ninguna fuerza sobre él. c) Siempre que un objeto no se mueve o lo hace con velocidad constante es porque no hay una fuerza neta ejercida sobre él. a) Falso, un objeto puede moverse incluso cuando no actúe ninguna fuerza sobre él, y entonces lo hace con movimiento rectilíneo v = constante). y uniforme (ជ Un caso particular es que esté en reposo y entonces permanece en reposo. b) Falso. Hay incontables ejemplos de cuerpos que se mueven bajo la acción de las fuerzas, como una bicicleta, un avión, un pájaro… c) Verdadero, pero hay que precisar: «si un objeto no se mueve o lo hace con vector velocidad constante (no basta que sea constante el módulo v) es porque…»

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SOLUCIONARIO

3.

La aproximación de movimiento circular uniforme es bastante buena para cuerpos celestes como el Sol y la Tierra.

Sol

a) Elabora un esquema de las fuerzas que intervienen en este movimiento. b) ¿Qué sucedería con la aceleración que sufre cada cuerpo si se multiplica por siete la masa de la Tierra? c) ¿Coincide la dirección de la fuerza que actúa sobre la Tierra con la de su movimiento? d) Es decir, ¿tiene la fuerza la misma dirección que la velocidad? a) FជST es la fuerza que ejerce el Sol sobre la Tierra. FជTS es la fuerza que ejerce la Tierra sobre el Sol. [FជST = −FជTS]

Sol

FជTS

Tierra

F

F

F

F

FជST

ជ v

Tierra

b) Si se multiplica por siete la masa de la Tierra, quedan multiplicadas m ⋅m por siete tanto FជST como FជTS, puesto que F = G S 2 T , d la fuerza gravitatoria es proporcional a la masa de cada uno de los cuerpos. Sin embargo, la aceleración de la Tierra, aT = FST /mT ¡no cambia!, pero la del Sol, aS = FTS /mS se multiplica por 7. c) ¡En absoluto! La única fuerza que actúa sobre la La Tierra está dirigida hacia el Sol, mientras que la velocidad de la Tierra es tangente a su órbita circular. d) En este caso, fuerza y velocidad son perpendiculares. 4.

Cuando despega la lanzadera espacial, que tiene una masa de unas 2300 toneladas, sus motores desarrollan una fuerza de unos 3 ⋅ 107 N. a) Representa gráficamente las dos fuerzas principales que intervienen y la fuerza resultante. b) Calcula la fuerza total que actúa sobre la lanzadera en el despegue. c) Luego halla la aceleración justo en el momento del despegue.

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10 Las leyes de Newton F

a) Si ignoramos el rozamiento con el aire (también llamado «fricción»), lo que se puede hacer al principio cuando la velocidad es aún baja, las fuerzas que actúan sobre la ជ y la fuerza lanzadera son el peso P ejercida por los motores, FជM. Desde luego, para que despegue debe ser FM > P.

FជM

F

ជ. Como ambos b) FជTotal = FជM + P vectores tienen igual dirección y sentidos opuestos, el módulo es FTotal = FM − P, pero:

ជ P

P = M ⋅ g = 2300 t ⋅ 9,8 m/s2 = 22 300 000 kg ⋅ 9,8 m/s2 = = 2,25 ⋅ 107 N → FTotal = FM − P = 3 ⋅ 107 N − 2,25 ⋅ 107 N → → FTotal = 7,5 ⋅ 106 N d) La aceleración en el despegue es: a =

Dibuja las fuerzas que actúan sobre una medalla que cuelga verticalmente del cuello.

Tជ1 + Tជ2

F

Como la medalla está en equilibrio: Tជ + Tជ + Pជ = 0 → Tជ1 + Tជ2 = −Pជ

Tជ1

Tជ2

F

Tជ es la tensión de las cadenas. Pជ es el peso de la medalla (el de las cadenas se ignora).

F

F

5.

FT 1 = 3, 2 m/s2 g . M 3

ជ P

ជ = −P ជ Por tanto: 2T No se ha tenido en cuenta la posibilidad de que la medalla esté apoyada sobre el pecho, lo que introduciría una fuerza más y modificaría las tensiones.

6.

El airbag de los automóviles es una bolsa que se hincha cuando el módulo de la aceleración supera cierto valor. Por ejemplo, 60 veces la aceleración de la gravedad, 60 g ⯝ 590 m/s2. Lo que consigue el airbag es aumentar la «duración de la colisión», ya que la cabeza de la persona que choca tiene que recorrer la longitud de la bolsa hinchada. a) ¿Qué efecto produce sobre el impulso y el cambio de velocidad un airbag que multiplica por 100 la duración del choque?

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SOLUCIONARIO

b) ¿Sirven los cinturones de seguridad para un propósito similar al de los airbag? Explícalo. a) El airbag no modifica Δv, la variación de velocidad, sino que alarga el tiempo en el que esta variación tiene lugar y consiguientemente, reduce la fuerza, así: Δv (suponiendo una fuerza constante) Δt Al aumentar Δt en un factor 100 manteniendo constantes los demás factores, F también disminuye en un factor 100. F =m

Respecto al impulso mecánico: I = m ⋅ Δv = F ⋅ Δt Este permanece constante, puesto que ni la masa ni el cambio de velocidad se modifican a causa del airbag. De otro modo, F y Δt tienen variaciones opuestas que se compensan. b) Un cinturón de seguridad hace lo mismo que un airbag; prolonga el tiempo en el que se produce Δv disminuyendo F en el mismo factor.

7.

Un tenista que saca a 120 km/h golpea la pelota durante 15 milésimas de segundo en el momento del saque. a) Calcula la fuerza ejercida por el tenista sabiendo que la masa de la pelota es de 58 g. b) ¿Cuál es la aceleración media de la pelota durante el impacto? c) ¿Cuándo va más rápido? (Nota: 120 km/h = 33,3 m/s). a) Suponiendo una fuerza constante (al menos aproximadamente): F =m

Δv 33,3 m/s = 0,058 kg ⋅ → 0,015 s Δt → F = 129 N

En realidad, el tiempo de contacto con la pelota suele ser mayor (y la fuerza y la aceleración, menores). b) La aceleración media es: am =

33 m/s Δv = = 2220 m/s2 (227 g ) 0,015 s Δt

c) La pelota pierde velocidad tras el saque siendo el principal mecanismo responsable probablemente la fricción con el aire.

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Un autobús y un mosquito chocan contra una pared y quedan completamente parados en una décima de segundo.

ជ vinicial F F

a) Dibuja cualitativamente p inicial los vectores ជ y final, así como su variación Δជ p y, a partir de ella, la fuerza Fជ. b) Calcula el módulo de la fuerza que actúa durante el choque sobre el mosquito y sobre el autobús.

ជ vinicial

a) Se representa únicamente ជ0 p el choque de uno de los cuerpos, pues Fជ pជF = 0 la diferencia está unicamente en la escala (el módulo de los vectores). ជ Δp Δpជ = pជF − pជi = − pជi ជ es constante: F ជ = Δpជ = − pជi . Si F Δt Δt b) Como es un problema esencialmente unidimensional, podemos trabajar solo con el módulo. Llamando Δt a la duración del choque y p i al momento lineal inicial del objeto antes del choque: pi mv i = Δt Δt El módulo de la fuerza es proporcional a la masa. F =

9.

Un juguete formado por un chasis y cuatro piezas a base de muelles está encima de una mesa donde lo hemos dejado tras montarlo (mal, de modo que los resortes pueden saltar en cualquier momento). Poco tiempo después dos piezas situadas en los puntos A y B se mueven según indica la figura 10.22, mientras que el chasis del juguete permanece quieto. a) ¿Es posible que no haya más piezas? ¿Por qué? b) Si crees que hay más piezas, ¿dónde las buscarías? c) Concreta la respuesta anterior para el caso de que las dos piezas tengan la misma masa y hayan viajado la misma distancia por la mesa. En un sistema aislado (como se puede considerar el juguete del enunciado con suficiente aproximación, ya que no hay ninguna influencia externa notable) se tiene que conservar el momento lineal total, que tiene que ser el mismo antes y después de lo que le sucede al juguete.

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SOLUCIONARIO

Veamos cuál es el balance observable directamente. pជA pជ = 0

pជB

b) Aunque no sabemos nada sobre los módulos de pជA y pជB, que son los momentos lineales de las piezas que vemos, es imposible que su suma sea cero, puesto que sí conocemos sus direcciones (las del movimiento de las piezas). c) Por tanto, deben existir más piezas necesariamente, de modo que el momento lineal sea el mismo (0). Puesto que pជA + pជB apunta hacia el interior de la mesa, el momento lineal que falta debe ser opuesto a esa suma, de modo que pជA + pជB + pជde las piezas que faltan = 0. Habrá que buscar en el suelo, a cierta distancia de la esquina donde estaba el juguete. d) Si sabemos algo más de las piezas A y B como que mA = mB y ជA = p ជB (vA = vB), ya que ambas recorren igual presumiblemente p distancia por la mesa, tras la rotura del juguete se cumplirá, como antes: pជA + pជB + pជX = 0 pជ pជA + pជB

A

Geométricamente (ver figura), si solo se nos ha escapado una pieza habrá que buscarla en el suelo en la dirección y sentido que marca pជX.

pជB

pជx Si faltan dos o más piezas, no podremos ser tan concretos… pues hay infinitas posibilidades. pជx2

pជx

pជx = −(pជA + pជB) pជx3

pជx2

pជx2

pជx pជx1

pជx

pជx1

Este método lo utilizan los físicos de partículas para identificar partículas invisibles en sus detectores. 10.

La Tierra, cuya masa es de unos 6 ⋅ 1024 kg, ejerce una fuerza (peso) de unos 600 N sobre una persona de 60 kg situada en su superficie. Según la tercera ley, la persona atrae a nuestro planeta con una fuerza opuesta del mismo módulo. a) Con estos datos y la segunda ley, calcula las aceleraciones respectivas de la Tierra y la persona, aជT y aជP.

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10 Las leyes de Newton ជ P F

F

b) ¿Está la respuesta anterior de acuerdo con nuestra intuición de que nosotros no le hacemos nada a la Tierra, pero esta a nosotros, sí? c) ¿Por qué no se anulan las fuerzas ejercidas, si tienen el mismo módulo, la misma dirección y sentidos opuestos?

ជ −P

P P ; aP = MT mP FជTierra → persona = ជ P Puesto que la fuerza que ejerce la ជ Fpersona → Tierra = −ជ P Tierra sobre la persona, llamada peso, es P = mP ⋅ aP = 600 N, y la fuerza ជ). que la persona ejerce sobre la Tierra es igual y opuesta (−P

a) aT =

Usando los datos: aT =

600 N 10−22 m/s2 es la aceleración de la Tierra. 6 ⋅ 1024 kg

600 N 10 m/s2 es la aceleración de la persona. 60 kg (En realidad aP = g 9,8 m/s2; la «aceleración de la gravedad» en la superficie terrestre.) b) Esto explica que nos resulte difícil creer que la Tierra ejerce sobre nosotros la misma fuerza (y no más) que nosotros sobre la Tierra; como la aceleración de la Tierra es ínfima, los efectos de esa fuerza son inobservables completamente, a diferencia de lo que nos ocurre a nosotros, a quienes la misma fuerza nos produce una aceleración (que es lo observable) 1023 veces mayor (siendo nuestra masa 1023 veces menor). ជ y la de la persona c) La fuerza de la Tierra sobre la persona, FជTP = P ជ ជ sobre la Tierra F PT = −P no se pueden sumar o, mejor dicho, no tiene sentido sumarlas, puesto que no están aplicadas sobre el mismo cuerpo. Lo mismo pasa con todas las parejas de fuerzas de la tercera ley de Newton, que actúan sobre cada uno de los dos cuerpos que participan en la interacción. aP =

11.

Indica cuáles de las siguientes afirmaciones son correctas: a) La fuerza es velocidad. b) La fuerza es una propiedad de los cuerpos. c) Los cuerpos siempre se mueven en la dirección y sentido en la que apunta la fuerza neta. d) Las fuerzas cambian el estado de movimiento de los cuerpos. a) Eso es absurdo; fuerza y velocidad son magnitudes completamente distintas. Aunque sí están relacionadas: la variación de velocidad Δជ v siempre está causada por fuerzas.

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SOLUCIONARIO

b) No, la fuerza no es una propiedad de los cuerpos, algo que los caracterice. Sobre un cuerpo pueden actuar infinitas fuerzas distintas sin ninguna restricción. c) En absoluto; eso solo ocurre si los cuerpos están en reposo antes de la aplicación de una fuerza constante o si la fuerza coincide en dirección y sentido con la velocidad. Lo que sí coincide con la dirección y sentido de la fuerza v ) o aceleración (ជ a ). es la variación de la velocidad (Δជ d) Justamente, las fuerzas causan cambios en el vector velocidad, es decir, modifican el módulo de ជ v o su dirección y sentido, o una combinación de ellos. 12.

¿Para qué sirven los cascos acolchados (o deformables, como los que llevan los motoristas) o las colchonetas sobre las que caen los gimnastas? Responde basándote en alguna de las leyes de la física que hemos estudiado en esta unidad. Un cuerpo deformable en un choque protege porque prolonga el intervalo de tiempo en el que tiene lugar el cambio de velocidad, disminuyendo así la fuerza. Para fuerzas constantes: Δv Δp o mejor aún F = Δt Δt Y a igual variación de momento lineal o velocidad, cuanto más dura la colisión, menor es la fuerza. F =m

13.

Una bola de billar golpea a otra bola igual de forma que después del choque la bola que golpea queda en reposo. La velocidad que adquiere la bola golpeada es:

ជ v1

ជ v2 = 0

ជ v1 = 0

F

Antes

ជ v2

F

Después

a) Igual que la de la bola que golpea. b) Menor que la de la bola que golpea. c) Mayor que la de la bola que golpea. Un razonamiento basado en la simetría nos podría convencer de que la bola que estaba parada y que es igual que la que se mueve saldrá de la colisión con la misma velocidad con la que la otra chocó. Sin embargo, vamos a utilizar la ley de conservación del movimiento lineal, cuyo valor total debe ser el mismo antes y después de la colisión.

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10 Las leyes de Newton Como el problema es unidimensional, no necesitaremos los vectores. Antes

pTOTAL

=

p1 + 0

Después

=

0 + p2

(pជ1 y pជ2 tienen igual dirección y sentido)

por tanto p1 = p2, y como tienen igual masa: mv1 = mv2, entonces v1 = v2. Es decir, tal y como sospechábamos, tienen igual velocidad. 14.

Los cohetes (como los motores «a reacción») queman parte de su masa –de combustible– y expulsan a gran velocidad los gases de combustión en sentido opuesto al de la marcha. Explica el motivo a partir de las leyes de Newton. Los gases de combustión son «empujados» por el motor hacia el exterior, y a su vez, estos «empujan» al motor (bueno, al cohete, que está unido al motor) con una fuerza de igual módulo y dirección y sentido opuesto (3.ª ley de Newton). Una explicación equivalente a partir de la conservación del momento lineal: los gases de combustión expulsados se llevan consigo un momento lineal pជ, pero como el momento lineal se tiene que conservar, al cohete «no le queda más remedio» que adquirir un momento lineal igual y opuesto: −pជ.

15.

Un reloj de arena tiene una masa de 700 g cuando la arena se encuentra en el depósito inferior. Si ahora se la da la vuelta y se coloca sobre una balanza, ¿qué indicará la balanza mientras la arena está cayendo?

700 g

ជ −p

pជ

?

Por un lado, es cierto que mientras cae la arena su masa no contribuye al peso que registra las báscula, de modo que al empezar a caer la balanza registra un peso menor. Luego, la arena empieza a chocar contra el fondo ejerciendo sobre él una fuerza que se puede calcular para ver que compensa al peso que falta por estar la arena en caída libre. Cuando la arena está terminando de caer, hay un intervalo en el que la masa en caída libre disminuye, mientras la fuerza de la que cae sigue igual y la balanza registra fugazmente un peso mayor que el inicial.

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SOLUCIONARIO

16.

¿Por qué se clava un clavo? Se acelera el martillo y se hace chocar contra el clavo ejerciendo una fuerza sobre él; el clavo también ejerce una fuerza (igual y opuesta) sobre el martillo (por eso se para al golpear…). Estas fuerzas no se pueden sumar y anularse, puesto que actúan sobre cuerpos distintos. La punta del clavo afilada también contribuye al «concentrar» la fuerza aplicada sobre su cabeza y transmitida por el cuerpo en un área mucho menor (la «presión», es decir, la fuerza por unidad de superficie, aumenta) de modo que es capaz de romper enlaces entre los átomos del material y penetrar. Se lanza un cuerpo con una velocidad horizontal sobre la superficie de la Tierra. ¿Cuál de los siguientes diagramas representa correctamente las fuerzas que actúan sobre él? a)

ជ v

b)

ជ v

F F

F F

F

d)

F

c)

ជ v

ជ v

F

F

F

F

F

F

e)

f) ជ v

F F

ជ v

F F

F

17.

F

F

En primer lugar, ha de quedar claro que no se puede confundir la velocidad con una fuerza aunque se las represente juntas. Recordemos también que la fuerza aplicada en el «lanzamiento» v que no tenía, desaparece necesaria para comunicarle la velocidad ជ en cuanto desaparece el contacto con la mano que (por ejemplo)

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10 Las leyes de Newton lo lanza, luego a), b) e) y f) son falsas. Por otro lado, siempre han de estar el peso y la fuerza de reacción normal de la superficie, lo que descarta a a), b) y d). Ya solo queda c), que es posible, aunque también lo sería una igual salvo por una fuerza paralela a la superficie y de sentido opuesto v , el rozamiento. aជ 18.

Los dos bloques de la figura son exactamente iguales. ¿Hacia dónde se moverá el conjunto? ¿Por qué? a Tជ F

Tជ

F

M PជT F

PជN

M

F

F

ជ P

F

30°

ជ P

Siendo las dos masas iguales, el conjunto se moverá hacia la derecha, puesto que la componente del peso del bloque del plano inclinado en la dirección del movimeinto PT es necesariamente menor que el peso P. Más en detalle. Supongamos que hay una aceleración a > 0 en el sentido indicado en la figura que comparten ambos bloques. Las ecuaciones del movimiento son: Masa colgante: P − T = Ma ⎫⎪ ⎬ → P − Ma = PT + Ma → Masa sobre el plano: T − PT = Ma ⎪⎭⎪ P − PT → a = 2M Que, tal como se había supuesto, es mayor que cero, lo que implica que el conjunto se mueve, como se supuso, hacia la derecha.

Fជ

ជT P

F

ជ P

F

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¿Qué ocurrirá si tiramos hacia arriba mediante una cuerda de un cuerpo colocado en la mitad de una rampa (sin rozamiento)? Elige la respuesta correcta.

F

19.

ជN P

F

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SOLUCIONARIO

a) El bloque ascenderá o bajará en función de la intensidad de la fuerza ejercida sobre él. b) El bloque quedará en reposo. c) El bloque ascenderá siempre. Aclaremos que la chica que tira de la cuerda no forma en realidad parte del sistema, y que únicamente tiene la función de aplicar una fuerza Fជ sobre la caja (de otro modo, si tuviéramos que considerar que ella se resbala, pues no hay rozamiento, la cosa se complicaría). En tal caso, ha de quedar claro que c) es falsa y a) y b) pueden ser verdaderas: Si F > PT, siendo PT la componente tangencial del peso, la caja sube. Si F = PT la caja sigue en reposo si lo estaba inicialmente. Si F < PT, el bloque caerá por el plano. A un agricultor se le ocurre realizar el siguiente montaje para arrancar un tronco. ¿Se incrementa así la fuerza que ejerce el motor del tractor? Haz un esquema dibujando las fuerzas para justificar tu respuesta.

Fជ F

Fជ

F F

Fជ

F

Fជ

Fជ 2Fជ 2Fជ F

20.

F

F

Digamos que el tractor es capaz de ejercer una fuerza Fជ y analicemos la situación de equilibrio. Del esquema se deduce que la fuerza que actúa sobre el tronco es 2Fជ, justo el doble. (La clave para deducirlo está en el análisis de las tensiones en las cuerdas.) 21.

Una fuerza de 200 N actúa sobre una caja llena con 50 kg de naranjas durante 5 s. a) Representa en una gráfica la velocidad de la caja desde que la fuerza comienza a actuar hasta que transcurren 25 s. b) ¿Cuál es la distancia recorrida en esos 25 s? c) ¿Cómo se modificaría la gráfica si echamos más naranjas a la caja?

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10 Las leyes de Newton a) Como es una fuerza constante: Δv F 200 N F =m → Δv = Δt = ⋅ 5 s = 20 m/s Δt m 50 kg Es decir, la variación de velocidad es proporcional al tiempo durante el que actúa la fuerza. Después de Δt = 5 s, el movimiento es inercial v − v (m/s) 0 (v = constante) pues 20 la fuerza total es nula (ya que no estamos 15 considerando el rozamiento). 10

5 0 0

5

10

15

20

25

30 t (s)

b) Para calcular la distancia recorrida haremos por separado los dos tramos: 1. De t = 0 a t = 5 s el movimiento es uniformemente acelerado F 200 N = = 4 m/s2 . con a = m 50 kg 1 1 Δs1 = v 01t + aTt 2 = 0 + ⋅ 4 m/s2 ⋅ (5 s)2 = 50 m 2 2 Ponemos v0 = 0. En t = 5 s se alcanza la velocidad de 20 m/s, según calculamos en a). 2. De t = 5 s a t = 20 s el movimiento es uniforme y la velocidad es la alcanzada en 1, es decir, 20 m/s. Δs2 = v2 ⋅ Δt = 20 m/s ⋅ 15 s = 300 m En total se recorren 50 m + 300 m = 350 m. c) Si ponemos más naranjas, la masa aumenta y la velocidad F Δt disminuye. adquirida por la aplicación de la fuerza Δv = m El primer tramo Δv (m/s) de la gráfica tendrá menos pendiente 20 y el segundo será 15 más bajo (menor velocidad). Algo así 10 como: 5 0 0

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5

10

15

20

25

30 t (s)

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SOLUCIONARIO

22.

Sobre un cuerpo de 20 kg actúa una fuerza durante cierto tiempo, tal y como muestra la gráfica. F (N)

200

100

t (s)

0 0

10

20

a) Elabora una gráfica representando la aceleración experimentada por el cuerpo durante esos 20 s. b) Elabora una gráfica representando la velocidad que tiene el cuerpo durante esos 20 s. c) Calcula el espacio recorrido durante esos 20 s. F , la gráfica de «a» tiene la misma forma que la de «F». m a (m/s2) En los primeros 10 s: F 10 Δv = Δt = a ⋅ Δt = m 5 = 10 m/s2 ⋅ 10 s = 100 m/s

a) Como a =

Y en los siguientes 10 s: Δv = 5 m/s2 ⋅ 10 s = 50 m/s.

0 0

10

20 t (s)

b)

v − v0 (m/s)

c) Son dos tramos de movimiento uniformemente acelerado: 1 a T1 ⋅ t 2 2 (pues t0 = 0, v0 = 0, suponemos) 1 Δs1 = 10 m/s2 ⋅ (10 s)2 = 50 2 = 500 m 2. El segundo tramo es igual salvo porque ahora aT2 = 5 m/s2 y hay una 0 10 20 t (s) velocidad inicial de 100 m/s. 1 1 Δs 2 = v 02 ⋅ Δt 2 + a T2 ⋅ Δt 22 = 100 m/s ⋅ 10 s + 5 m/s2 ⋅ (10 s)2 2 2 En total el espacio recorrido es s = Δs1 + Δs2 = 1750 m.

100

1. Δs =

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Halla el tiempo que tiene que estar actuando una fuerza constante de 15 N sobre una masa de 10 kg para que esta adquiera una velocidad de 30 m/s. En el caso de fuerzas constantes la segunda ley de Newton dice Δv que F = m (suponiendo, como casi siempre, m = cte.): Δt m ⋅ Δv 10 kg ⋅ 30 m/s Δt = = = 20 s F 15 N

24.

Un bloque de plastilina de 50 g de masa choca perpendicularmente contra una pared a 30 m/s y se queda parado y adherido a ella; el proceso ha durado 60 ms. a) Elige un sistema de referencia y escribe y representa los vectores momento lineal de la plastilina antes y después del choque. b) ¿Cuál ha sido la fuerza que ha ejercido la pared sobre la plastilina? Ahora sustituyamos la plastilina por una pelota de tenis. c) Dibuja y calcula los vectores momento lineal y calcula la fuerza sobre la pelota suponiendo que no pierde velocidad en el rebote. d) Repite el apartado anterior, pero suponiendo ahora que la pelota pierde en el choque un 10 % de la velocidad inicial. a)

Fជ

pជ0

Antes

pជF = 0

Después

b) Si la consideramos constante (al menos aproximadamente): 0 − 30 m/s v − v0 Δv F =m =m⋅ F = 0, 05 kg ⋅ = −25 N 0,06 s Δt Δt (El signo «−» quiere decir que la fuerza tiene sentido opuesto a la velocidad inicial). c)

pជ0

Antes

pជF = −pជ0 Fជ Después

La velocidad de la pelota se invierte (aproximadamente en el mundo real) tras el choque: pជF = −pជ0. v − v0 −30 m/s − 30 m/s F =m⋅ F = 0, 05 kg ⋅ = −50 N Δt 0,06 s La fuerza se duplica (suponiendo que la colisión dura lo mismo, lo que no es muy razonable).

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SOLUCIONARIO

d) Si se pierde un 10 % de velocidad en la colisión: −27 m/s − 30 m/s F = 0, 05 kg ⋅ = −47,5 N 0,06 s ⎛ 1 ⎞⎟ 9 9 v F = −⎜⎜v 0 − v 0 ⎟⎟ = − v0 = − ⋅ 30 m/s = −27 m/s ⎝⎜ 10 ⎠⎟ 10 10 25.

Una pelota de béisbol tiene una masa de 150 g y puede ser lanzada con una velocidad de 45 m/s. ¿Qué fuerza debe de aplicarse para detener la pelota en tres décimas de segundo? Detener la pelota quiere decir conseguir Δv = vF − v0 = 0 − v0 = −v0. Si suponemos que la fuerza es constante: F =m

26.

Δv −45 m/s = 0,15 kg ⋅ = −22, 5 N Δt 0,3 s

Un proyectil de 900 g lanzado durante una sesión de fuegos artificiales explota a 300 m de altura, cuando su velocidad es vertical y ascendente de 80 km/h, dividiéndose en dos fragmentos. Uno, de 600 g, continúa subiendo con v = 100 km/h. a) ¿Cuál es la velocidad del otro fragmento? b) ¿Hacia dónde se mueve? Usaremos el principio de conservación del momento lineal para el cohete (antes) y sus fragmentos (después). El problema es esencialmente unidimensional; veamos lo módulos de los momentos lineales. ANTES

FINAL:

M

z Antes

A B

ជFB? c'¿p

Después

DESPUÉS

pជ0 = pជFA + pជFB INICIAL:

pជFA

pជ0

debe tener la misma dirección que pជ0: vertical

p 0 = Mv0 = 0,9 kg ⋅ 80 km/h = 20 kg ⋅ m/s

p FA ± p FB = p0

se suman si tienen el mismo sentido y se restan en caso contrario

Es decir, que como p FA = 0,6 kg ⋅ 100 km/h = 16,7 kg ⋅ m/s es menor en módulo que el momento lineal inicial, el otro pជFB fragmento debe tener una velocidad con igual pជ0 dirección que el primero y momento de módulo: p 0 = p FA + p FB → p FB = p 0 − p FA = 3,3 kg ⋅ m/s pជFA con lo que su velocidad será: p 3, 3 kg ⋅ m/s v B = FB = = 11,1 m/s 40 km/h pជ0 = pជFA + pជFB mB (0, 9 − 0, 6) kg

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Calcula la aceleración del sistema de la figura cuando se aplica una fuerza de 70 N sobre el bloque más grande. 1

F = 70 N

2 3

F

4 kg

2 kg F

Fជ32

1 kg F

Fជ23

¿Cuál es la reacción que el cuerpo 3 ejerce sobre el 2? El sistema se mueve sin deshacerse, así que podemos actuar como si fuera un solo cuerpo de 7 kg. 70 N = 10 m/s2. 7 kg Ahora podemos considerar aisladamente al fragmento 3 sobre el que –ignorando el rozamiento– la fuerza neta que actúa es la «acción» de 2: F23 = m3 ⋅ a = 10 N. Pero lo que nosotros buscamos, F32 (la «reacción de 3 sobre 2») es, por la tercera ley de Newton, igual en módulo: F32 = F23 = 10 N. (Aunque sea costumbre, no es correcto hablar de «acción» y «reacción»; es preferible referirse a «la fuerza que A ejerce sobre B…».) Entonces: a =

28.

Una grúa eleva una masa de 900 kg mediante un cable que soporta una tensión máxima de 12 000 N. a) ¿Cuál es la máxima aceleración con que puede elevarlo? b) Si se eleva con a = 2,5 m/s2, ¿qué tensión soporta el cable? De acuerdo con la segunda ley de Newton: FTotal = T − P = ma (ver figura)

Tជ

ជ a

m Pជ

a) Busquemos la aceleración de m en función del peso y la tensión: T − P = ma →

T −P T − mg T = a→a = = −g m m m

Ahora: Tmáx 12 000 N −g = − 9, 8 m/s2 = 3,5 m/s2 m 900 kg b) Si la aceleración es de 2,5 m/s2, la tensión resultará ser: amáx =

T − P = ma → T = P + ma = mg + ma = m ⋅ (a + g) = = 900 kg ⋅ (2,5 m/s2 + 9,8 m/s2) = 11 070 N

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SOLUCIONARIO

29.

Calcula la tensión de cada cuerda si la masa del cuerpo que cuelga es de 5 kg. 30°

30°

5 kg

Elegimos un sistema de referencia según la figura y descomponemos Tជ1 y Tជ2 en sus componentes según los ejes X e Y. Tជ1 + Tជ2 Tជ1y Tជ2y

Tជ1

Tជ2 30°

30°

Tជ1x

Tជ2x

Pជ

Como hay equilibrio debe cumplirse Tជ1 + Tជ2 + Pជ= 0 ⎫⎪ ⎧⎪componente x : T1x = T2x ⎬ (*) ⎨ ⎩⎪⎪componente y : T1y + T2y = P = mg ⎭⎪⎪ Ahora necesitamos un poco de trigonometría: T1x = T1 ⋅ cos 30° ; T2x = T2 ⋅ cos 30° T1y = T1 ⋅ sen 30° ; T2y = T2 ⋅ sen 30° Ahora las condiciones de equilibrio (*) quedan así: ⎪⎧T ⋅ cos 30° = T2 ⋅ cos 30° → T1 = T2 ⬅T (**) ⎨ 1 ⎪⎪⎩2T ⋅ sen 30° = mg (Estaba claro por la simetría del problema.) 5 kg ⋅ 9, 8 m/s2 mg T = = = 49 N 2 ⋅ sen 30° 2 ⋅ sen 30° (igual a mg en este caso; las tres fuerzas son iguales, como se podría haber adelantado por la simetría del problema).

120° 120°

120°

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Indica hacia dónde se moverán los cuerpos de la figura y cuál será la aceleración del sistema. Supón que no hay rozamiento. Si ignoramos el rozamiento, sobre cada una de las masas actúan ជ), la reacción normal de la superficie (N ជ) y la tensión el peso (P ជ de la cuerda (T, igual para ambas masas, ya que están unidas por la cuerda). La segunda ley de Newton dice que: ជ1 + T ជ+ N ជ1 = m1ជ P a1 ជ ជ ជ ជ P2 + T + N2 = m2 a2 Si elegimos para cada masa su propio sistema de coordenadas con un eje tangente a la superficie y otro normal a ella y tenemos en cuenta que la aceleración es la misma para ambas masas (además, hemos dado a la aceleración un sentido arbitrario; si nos sale negativa, el sentido real era el contrario al supuesto): P1x − T = m1a [A] T − P2x = m2a [C] N1 − P1y = 0 [B] N2 − P2y = 0 [D] Ahora hay que tener en cuenta que las componentes tangenciales del peso son P1x = P1 ⋅ sen α = m1g ⋅ sen α P2y = P2 ⋅ sen β = m2g ⋅ sen β Un truco para recordarlo es fijarse en que si el plano es horizontal y los ángulos son cero, estas componentes deben desaparecer.

F

Pជ1x

50 kg = m 2 ជ2 N

Pជ2x

F

F F

F

Pជ1

45°

Pជ2

F

Pជ1y

F

Pជ2y 30°

30°

Tជ

F

m1 = 100 kg

ជ a F

F

Tជ

F

ជ1 N

45°

Como solo nos interesa la aceleración, eliminamos T entre las ecuaciones [A] y [C]: T = m1g ⋅ sen 30° − m1a [A]⎪⎫ ⎬ T = m2a + m2 g ⋅ sen 45° [C]⎭⎪⎪ Igualamos:

m1g ⋅ sen 30° − m1a = m2a + m2g ⋅ sen 45° (m1 + m2) ⋅ a = m1g ⋅ sen 30° − m2g ⋅ sen 45° a=

m1 ⋅ sen 30° − m2 ⋅ sen 45° ⋅ g +0, 96 m/s2 m1 + m2

Como «a» es positivo, el sistema se mueve en el sentido adecuado.

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SOLUCIONARIO

31.

Una misma fuerza actúa sobre dos cuerpos de masas m1 y m2 produciendo aceleraciones de 3 m/s2 y 7 m/s2, respectivamente. ¿Cuál es la relación entre las masas de los cuerpos? m1 a F = m1a1 ⎫⎪ = 2 ⎬m1a1 = m2a2 → F = m2a2 ⎪⎪⎭ m2 a1 En el caso que nos dicen: a2 7 m 7 7 = → 1 = → m1 = m2 a1 3 m2 3 3 Obviamente, si la fuerza es igual, a más masa, menos aceleración.

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NOTAS

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Las fuerzas

PRESENTACIÓN Después de estudiar las leyes de Newton se propone en esta unidad el estudio de las diversas fuerzas que hay en la naturaleza. Es especialmente interesante la introducción del estudio serio de la fuerza de rozamiento, pues sin ella no somos capaces de explicar los fenómenos que ocurren a nuestro alrededor.

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11 Las fuerzas OBJETIVOS • Diferenciar los tipos de interacciones y fuerzas que se observan en la naturaleza. • Conocer las magnitudes de las que depende la atracción gravitatoria entre dos cuerpos. • Conocer el origen de la interacción eléctrica: la naturaleza eléctrica de la materia. • Conocer las magnitudes de las que depende la atracción o repulsión eléctrica entre dos cuerpos. • Conocer el efecto de la fuerza de rozamiento sobre un cuerpo que se desplaza sobre un plano horizontal o sobre un plano inclinado. • Conocer el efecto de la fuerza de rozamiento en los vehículos que empleamos habitualmente para desplazarnos. • Saber cuáles son las magnitudes de las que depende la fuerza de rozamiento. • Conocer otro efecto de las fuerzas: las fuerzas deforman los objetos. • Aplicar los conocimientos de dinámica aprendidos al caso del movimiento circular.


• Las cuatro interacciones fundamentales. • Interacción gravitatoria. Interacción electromagnética. Interacción nuclear fuerte. Interacción nuclear débil. • Interacción gravitatoria. La ley de la gravitación universal de Newton. • El valor de la aceleración de la gravedad: g. Otro significado de g. Aproximación a la idea de campo gravitatorio. • Fuerzas eléctricas y magnéticas. • Electrización y fuerzas entre cargas eléctricas. • La ley de Coulomb. • Las fuerzas magnéticas. • Fuerzas de rozamiento. El rozamiento en una superficie. El rozamiento en líquidos y gases. • Características de la fuerza de rozamiento por deslizamiento. • Rozamiento en superficies horizontales y en planos inclinados. • Fuerzas elásticas. Las fuerzas deforman los objetos. • La ley de Hooke. • Dinámica del movimiento circular. Componentes de las fuerzas.

Procedimientos, • Comparar las interacciones eléctrica y gravitatoria. destrezas • Elaborar esquemas que muestran las fuerzas que actúan sobre un cuerpo. y habilidades • Resolver problemas numéricos en los que intervienen fuerzas que actúan en la misma o en distintas direcciones, incluyendo fuerzas de rozamiento.

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• Identificar la dirección y sentido de la fuerza resultante que actúa sobre un cuerpo a partir de las demás fuerzas. • Predecir el estado de movimiento de un cuerpo a partir de las fuerzas que actúan sobre él, incluyendo fuerzas de rozamiento. • Predecir el valor y la orientación de la fuerza necesaria para hacer que un cuerpo permanezca en reposo, ya sea situado en un plano horizontal o bien cuando está situado en un plano inclinado. • Identificar la fuerza centrípeta presente en un movimiento circular. • Resolver problemas en los que aparecen tensiones sobre hilos o cuerdas.

Actitudes

• Valorar el conocimiento que las personas tenemos en la actualidad de los fenómenos naturales, que nos permite explicar hechos misteriosos para las personas que vivieron hace unos cuantos siglos. • Valorar la importancia de los conocimientos científicos y técnicos que han hecho posible la utilización de satélites artificiales, tan importantes para las telecomunicaciones en la actualidad. • Valorar la perseverancia de numerosos científicos que han hecho posible conocer cuáles son las interacciones que existen en la naturaleza. • Adoptar una actitud de prudencia cuando se circula con un vehículo por superficies mojadas. • Aplicar los conceptos estudiados sobre la fuerza de rozamiento para ahorrar energía en la medida de lo posible, por ejemplo, teniendo en cuenta que la fuerza de rozamiento depende del cuadrado de la velocidad para el caso del transporte por carretera.

EDUCACIÓN EN VALORES 1. Educación vial Continuando con la unidad anterior, resulta básico comprender que la fuerza de rozamiento disminuye en suelos mojados, y esto hace que, aunque la fuerza ejercida por los frenos de un automóvil no varíe, sí lo hace la distancia de frenado, pues la fuerza neta es menor cuando el rozamiento disminuye.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN 1. Elaborar esquemas que muestran las fuerzas que actúan sobre un cuerpo, incluyendo fuerzas de rozamiento contra una superficie o contra un fluido. 2. Resolver problemas numéricos en los que intervienen fuerzas que actúan en la misma o en distintas direcciones, incluyendo fuerzas de rozamiento. 3. Identificar la dirección y sentido de la fuerza resultante que actúa sobre un cuerpo a partir de las demás fuerzas. 4. Predecir el estado de movimiento de un cuerpo a partir de las fuerzas que actúan sobre él. 5. Predecir el valor y la orientación de la fuerza necesaria para hacer que un cuerpo permanezca en reposo, ya sea situado en un plano horizontal o bien cuando está situado en un plano inclinado, teniendo en cuenta las fuerzas de rozamiento.

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11 Las fuerzas 1.

Calcula la aceleración de la gravedad en la Luna y compárala con la aceleración de la gravedad en la Tierra. Datos: ML = 7,36 ⋅ 1022 kg; RL = 1740 km; MT = 5,98 ⋅ 1024 kg; RT = 6370 km. Aplicamos la expresión: g =G

M R2

En la Luna: gL = G

ML 7, 36 ⋅ 1022 = 6,67 ⋅ 10−11 ⋅ = 1,6 m/s2 2 RL (1,74 ⋅ 106 )2

En la Tierra: gT = G

MT 5, 98 ⋅ 1024 −11 = 6 , 67 ⋅ 10 ⋅ = 9, 8 m/s2 R 2T (6, 37 ⋅ 106 )2

Por tanto: gT = 6,1 gL 2.

Deja caer un libro y un folio. ¿Cuál cae antes? Ahora, arruga el folio fuertemente y haz una bola. Repite la experiencia. ¿Qué ocurre ahora? Explica y razona lo que sucede. Al principio, con el folio sin arrugar, cae primero el libro. El folio cae más despacio debido al rozamiento con el aire. Al arrugar el folio, disminuye el rozamiento con el aire y ambos llegan a la par al suelo. Indica hacia dónde estará dirigida la fuerza gravitatoria que sufre la masa señalada con la flecha. 3

b)

m

4

3

m

m Fជ3 + Fជ4

F

Fជ1

F

Fជ2

1

m

m

Fជ4 F

F

m

2

F

F

F

Fជ3

1

Fជ1

F

a)

F

3.

Fជ2

Fជ3 F

2

m

a) Fជ1 y Fជ2 se anulan. La fuerza resultante viene representada por Fជ3. b) Fជ1 y Fជ2 se anulan. La fuerza resultante es la suma de Fជ3 y Fជ4. Como Fជ3 y Fជ4 son iguales y forman el mismo ángulo (α) con el eje Y, la resultante de la suma de Fជ3 y Fជ4 va dirigida a lo largo del eje Y.

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SOLUCIONARIO

4.

Una astronauta de 65 kg de masa se va de viaje por el Sistema Solar. Calcula su peso en cada planeta.

Masa (kg)

Mercurio

Venus

0,33 ⋅ 10

4,87 ⋅ 10

24

Tierra 24

Marte

5,98 ⋅ 10

24

0,642 ⋅ 10

Júpiter 24

1899 ⋅ 10

24

Saturno

Urano

Neptuno

569 ⋅ 10

87 ⋅ 10

102 ⋅ 1024

24

24

mastronauta (kg)

65

65

65

65

65

65

65

65

Diámetro (km)

4879

12 104

12 756

6794

142 984

120 536

51 118

49 528

Pesoastronauta (N)

221

572

637

240,5

1612

676

578,5

7,5

0, 33 ⋅ 1024 = 3, 4 m/s2 (2, 44 ⋅ 106 )2 4, 87 ⋅ 1024 g Venus = 6,67 ⋅ 10−11 ⋅ = 8, 8 m/s2 (6, 052 ⋅ 106 )2 5, 94 ⋅ 1024 g Tierra = 6,67 ⋅ 10−11 ⋅ = 9, 8 m/s2 (6, 38 ⋅ 106 )2 0,642 ⋅ 1024 g Marte = 6,67 ⋅ 10−11 ⋅ = 3,7 m/s2 (3, 4 ⋅ 106 )2 1899 ⋅ 1024 g Júpiter = 6,67 ⋅ 10−11 ⋅ = 24, 8 m/s2 (71,5 ⋅ 106 )2 569 ⋅ 1024 g Saturno = 6,67 ⋅ 10−11 ⋅ = 10, 4 m/s2 (60,27 ⋅ 106 )2 87 ⋅ 1024 g Urano = 6,67 ⋅ 10−11 ⋅ = 8, 9 m/s2 (25,6 ⋅ 106 )2 102 ⋅ 1024 g Neptuno = 6,67 ⋅ 10−11 ⋅ = 11 m/s2 (24,7 ⋅ 106 )2

• g Mercurio = 6,67 ⋅ 10−11 ⋅ • • • • • • • • • • • 5.

PMercurio = 65 ⋅ 3,4 = 221 N PVenus = 65 ⋅ 8,8 = 572 N PTierra = 65 ⋅ 9,8 = 637 N PMarte = 65 ⋅ 3,7 = 240,5 N

• • • •

PJúpiter = 65 ⋅ 24,8 = 1612 N PSaturno = 65 ⋅ 10,4 = 676 N PUrano = 65 ⋅ 8,8 = 578,5 N PNeptuno = 65 ⋅ 11 = 715 N

Otro astronauta de 70 kg se pesa en un exoplaneta o planeta extrasolar y observa sorprendido que el aparato marca 1030 N. Señala qué afirmaciones son verdaderas: a) El aparato de medida está mal. b) La gravedad en ese planeta es 1,5 g. c) La gravedad en el planeta vale 1030 N/70 kg. a) Falso. El valor del peso depende de la intensidad del campo gravitatorio en el exoplaneta. P 1030 N = = b) Verdadero. P = mg* = mkg → k = mg 70 kg ⋅ 9, 8 N/kg = 1,5 → g* = 1,5 g.

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11 Las fuerzas c) g =

Calcula la fuerza de atracción gravitatoria entre dos electrones y compárala con la fuerza eléctrica de repulsión entre ambos. ¿Cuál es mayor? Datos: q = −1,6 ⋅ 10−19 C; m = 9,1 ⋅ 10−31 kg. Fជe

Fជg

Fជg

Fជe

F

F

F

6.

1030 = 14,7 N/kg. Verdadero. 70

F

d

Fg = G

mm' (9,1 ⋅ 10−31)2 = 6, 67 ⋅ 10−11 ⋅ 2 d d2

Fe = K

qq' (1, 6 ⋅ 10−19 )2 = 9 ⋅ 10 9 ⋅ 2 d d2

Por tanto: Fe 9 ⋅ 10 9 (1,6 ⋅ 10−19 )2 = ⋅ = 4,2 ⋅ 10 42 → Fe = 4,2 ⋅ 1042 ⋅ Fg Fg 6,67 ⋅ 10−11 (9,1 ⋅ 10−31)2 7.

Un cuerpo de masa 2 kg que desliza sobre un plano horizontal con una velocidad de 4 m/s termina parándose por efecto de la fuerza de rozamiento. Calcula el valor de dicha fuerza si se detiene en 5 s. Es un movimiento rectilíneo uniformemente decelerado. v = 4 m/s ជ FR

8.

Δv 4 m/s = = 0, 8 m/s2 ; FR = ma = 2 kg ⋅ 0,8 m/s2 = 1,6 N t 5s

Un muelle de 40 cm de longitud natural tiene una constante elástica de 50 N/m. Calcula la longitud cuando se aplica una fuerza de 10 N.

F = 10 N F

a =

k = 50 N/m

m = 200 g

A partir de la ley de Hooke: F = k ⋅ Δl. Al tirar del muelle, este se estira. Δl =

F 10 N = = 0, 2 m = 20 cm → l = 40 cm + 20 cm = 60 cm k 50 N /m

(si el muelle se estira.)

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SOLUCIONARIO

9.

¿Qué condición debe cumplir una fuerza para no modificar el módulo de la velocidad cuando actúa sobre un cuerpo? Que sea siempre perpendicular a la velocidad. Una fuerza perpendicular a la velocidad solo modifica la dirección de la velocidad, no su módulo.

10.

Cuando das una patada a un balón: ¿ejerces una fuerza de contacto? ¿Es una fuerza electromagnética? Explica la respuesta. Pero, evidentemente, es una fuerza electromagnética. La interacción es en definitiva entre los átomos (moléculas) de los cuerpos que «supuestamente» entran en contacto: el zapato y el balón.

11.

Indica qué marcará cada dinamómetro en este caso. Considera que ambos dinamómetros son idénticos.

1

2

8 kg

a) Marcarán una fuerza mayor que el peso del objeto. b) Cada dinamómetro marcará el peso del objeto. c) La fuerza que señalará cada dinamómetro es la mitad del peso del objeto. Se cumple que P = 2 F ⋅ sen α. Por lo que: F=

P = 2 ⋅ sen α

=

P /2 sen α

F ⋅ sen α

F ⋅ cos α F ⋅ sen α

Como sen α < 1 → → F > P/2

ជ F

ជ F

ជ F

ជ F

α

F⋅ cos α

F ⋅ cos α

El dinamómetro marcaría más que la mitad del peso del cuerpo. Así, ninguna respuesta es correcta.

ជ P

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11 Las fuerzas 12.

En el espacio, entre el Sol y la Tierra, existe un punto en el que la fuerza neta que ambos astros ejercen sobre una masa colocada en él es nula. ¿Dónde se encuentra dicho punto? a) Más cerca del Sol que de la Tierra. b) Más cerca de la Tierra que del Sol. c) Justo a mitad de camino, entre la Tierra y el Sol. La respuesta correcta es la a): más cerca del Sol que de la Tierra, debido a que la masa del Sol es mucho mayor que la de la Tierra. El campo gravitatorio de dos masas se anula en la línea que las une y más cerca de la masa mayor, en este caso el Sol. Dibuja la dirección y sentido de la fuerza de rozamiento para cada pelota:

F

B

a Fជ

F

ជ v

A ជ FR

v Fជ

ជ a

F

13.

ជ FR

F

La FR siempre tiene sentido opuesto a ជ v y es independiente de la aceleración. 14.

Un cuerpo está en reposo en lo alto de un plano inclinado. ¿Puede ser mayor la fuerza de rozamiento que la componente del peso que tira del cuerpo hacia abajo? Explícalo. No, porque si no, el cuerpo ascendería por el plano, cosa nunca observada. Como mucho, la fuerza de rozamiento es igual a la componente del peso que tira del cuerpo hacia abajo.

15.

Dibuja la fuerza de rozamiento que sufre cada bloque en el siguiente esquema. ជ v 2

F

F

ជ F

F

ជ FR2 3

1 ជ FR3 F

F

FR1 Fជ

ជ v

La existencia de FR3 es dudosa, depende de si el cuerpo se apoya algo o nada sobre el plano vertical.

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SOLUCIONARIO

¿En qué caso será mayor la fuerza de rozamiento? a) μ = 0,2. F

100 N

0,5 kg

b) μ = 0,2. F 100 N

0,5 kg

c) μ = 0,2.

100 N

0,5 kg

F

16.

La fuerza de rozamiento es mayor en el caso a), ya que: FR = μN Y N vale según los casos: Nជ

N = P = mg

a)

ជ P

b) y c)

Nជ

P ⋅ sen α P ⋅ cos α Pជ

N = P ⋅ cos α = mg ⋅ cos α • FRa = μmg • FRb = μmg ⋅ cos α • FRc = μmg ⋅ cos α • FRa > FRb = FRc

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11 Las fuerzas 17.

Dibuja todas las fuerzas que actúan sobre los cuerpos de las figuras. Ten en cuenta el rozamiento. a) 3 masas iguales. Nជ F

Tជ2

F

F

m

F

FជR

F F F

P ⋅ cos 30°

Nជ F

m

P ⋅ sen 60°

FជR

F F F

P ⋅ cos 60°

FជR 30°

F

m

Tជ2

F

F

F F

P ⋅ sen 30°

F

Tជ1

Tជ1

F

Nជ

F

P ⋅ sen 30°

60°

F

Nជ1

Nជ4

F

F

b) • m1 = m2/2 • m2 = m3/2 • m3 = m4/2

Nជ3

m1 Pជ1 F

m2

m4

m3 Pជ1 + Pជ2

Pជ3

Pជ4

F F F

a) FR (masas a la izquierda) = μ ⋅ P ⋅ cos 30° = μ ⋅ mg ⋅ cos 30° FR (masa a la derecha) = μ ⋅ P ⋅ cos 60° = μ ⋅ mg ⋅ cos 60° N (masas a la izquierda) = P ⋅ cos 30° = mg ⋅ cos 30° N (masa a la derecha) = P ⋅ cos 60° = mg ⋅ cos 60° b) Al no haber movimiento horizontal no hay fuerzas de rozamiento. ជ. Solo actúan la fuerza Pជy las reacciones normales N Fuerzas sobre los cuerpos son: Cuerpo 1. P1 = N1 Cuerpo 2. P1 + P2 = N1 + N2 Cuerpo 3. P3 = N3 Cuerpo 4. P4 = N4 18.

Explica por qué es más fácil que un coche derrape cuando toma una curva con una velocidad elevada. Haz un esquema con las fuerzas que actúan cuando el coche toma una curva. La fuerza responsable del movimiento circular cuando un coche toma una curva es la fuerza de rozamiento entre los neumáticos y la calzada, y va dirigida hacia el centro de la curva. Cuanto más cerrada es una curva y mayor es la velocidad con que se toma, mayor es la aN y más grande es la fuerza que se precisa.

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SOLUCIONARIO

Si la calzada está mojada o la curva es muy cerrada la fuerza de rozamiento puede ser insuficiente y el coche derrapa. FR = m

19.

v2 R

ជ FR

m

Calcula la aceleración de la gravedad en la superficie de Marte sabiendo que su masa es de 6,42 ⋅ 1023 kg y su diámetro mide 6794 km.

En Marte: gM = G

M 6, 42 ⋅ 1023 = 6, 67 ⋅ 10−11 ⋅ 2 R (3, 4 ⋅ 106 )2

Por tanto:

gM = 3,7 m/s2 20.

Calcula la velocidad orbital (media) de la Tierra en su recorrido alrededor del Sol. Expresa el resultado en km/h. Datos: MSol = 2 ⋅ 1030 kg; MTierra = 5,98 ⋅ 1024 kg; dTierra-Sol = 149,6 millones de kilómetros; G = 6,67 ⋅ 10−11 N ⋅ m2/kg2. ជ FN

Cuando un cuerpo orbita alrededor de otro se cumple:

FN = maN

y

FN = G

MS d2 Sol

Igualando: G

MT ⋅ MS v2 M = MT → v2 = G S → 2 d d d

v =

21.

GM S = d

6,67 ⋅ 10−11 ⋅ 2 ⋅ 10 30 = 29 861,5 m2/s2 30 km/s 149,6 ⋅ 10 9

Calcula el periodo de un satélite artificial que sigue una trayectoria circular a 400 km de altura. ¿Cuántas vueltas a la Tierra da el satélite en un día? Datos: MTierra = 5,98 ⋅ 1024 kg; RTierra = 6370 km.

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11 Las fuerzas Teniendo en cuenta el problema anterior: v 2 = G

M . d

La velocidad del satélite viene dada por: 2π 2 4π2 M 4π 2 3 d → d2 2 = G d →T 2 = T T d GM (Segunda ley de Kepler.) v =

El periodo es: T2 =

4π 2 ⋅ (6,77 ⋅ 106 )3 s2 → 6,67 ⋅ 10−11 ⋅ 5, 98 ⋅ 1024 → T = 5541,78 s = 1 h 32 min 22 s

Y el número de vueltas: N.º vueltas =

22.

86 400 s = 15, 6 5541,78 s

(1 día = 86 400 s.)

Calcula la fuerza eléctrica existente entre el protón y el electrón en el átomo de hidrógeno suponiendo que la distancia entre ambos es de 0,5 Å. (1 Å = 10−10 m.) Datos: |qprotón| = |qelectrón| = 1,602 ⋅ 10−19 C; K = 9 ⋅ 109 N ⋅ m2/C2. Aplicamos la ley de Coulomb: −19 2 q ⋅ q1 ) 9 (1, 6 ⋅ 10 = 9 10 = 9,2 ⋅ 10−8 N ⋅ d2 (0,5 ⋅ 10−10 )2 Es una fuerza de atracción.

F =K

23.

Tres cargas eléctricas de 5 μC, dos positivas fijas y una negativa libre, se sitúan en los vértices de un triángulo equilátero de 60 cm de lado. Calcula la aceleración inicial de la carga negativa sabiendo que su masa es de 5 g.

Libre

G

F

Fជ Fជ 30° 30°

F ⋅ cos 30°

F

F

F

60 cm

F

Fija

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Fija

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SOLUCIONARIO

a) Dibuja las fuerzas que actúan sobre la carga negativa. ¿En qué dirección comienza a moverse? b) Observa la simetría del problema y responde: ¿cómo es la trayectoria que sigue la carga negativa? c) ¿Hay algún punto de la trayectoria seguida en que la fuerza neta sobre la carga negativa sea nula? ¿Dónde? d) Elige la respuesta correcta: 1. La velocidad de la carga negativa aumenta hasta que la carga negativa pasa entre ambas cargas positivas. Luego disminuye. 2. La velocidad se mantiene constante. 3. El movimiento es uniformemente acelerado. El valor de la fuerza entre la carga libre y cada una de las cargas fijas es: q1 ⋅ q2 N ⋅ m2 25 ⋅ 10−12 C2 = 9 ⋅ 10 9 ⋅ = 0,625 N 2 r C2 (0,6)2 m2 Fy = F ⋅ cos 30° = 0,54 N →FT = 2 ⋅ 0,54 N = 1,08 N →

F =K ⋅

→a =

FT 1, 08 N = = 216 m/s2 m 5 ⋅ 10−3 kg

a) Comienza a moverse en dirección vertical y hacia abajo. b) La trayectoria es una línea recta vertical. c) Sí, cuando la carga negativa pasa por el centro de la línea que une las cargas positivas. d) En principio, las capas positivas tiran de la capa negativa en la dirección negativa del eje Y y su velocidad va aumentando, pero cuando la carga positiva rebasa el punto medio de las dos cargas positivas, la fuerza se invierte. Ahora la fuerza sobre la carga negativa tiene sentido del eje Y positivo. La fuerza logrará frenar el movimiento de la carga negativa hacia abajo y después esta comenzará a ascender con velocidad creciente. Y así sucesivamente la carga negativa asciende y desciende siguiendo un movimiento periódico. 24.

Un coche de 1300 kg sube por una carretera con 15° de inclinación. Calcula la fuerza que proporciona el motor si el coeficiente de rozamiento de las ruedas con el asfalto es de 0,6 y el coche sube con una velocidad constante de 35 km/h. a) ¿Cómo se modifica la solución (cualitativamente, no realices cálculos) si la carretera es horizontal? b) ¿Y si la carretera está mojada? c) ¿Y si cargamos el maletero del coche?

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11 Las fuerzas ជ N

Como v = cte → a = 0

F − P ⋅ sen α − μ P ⋅ cos α = 0 F = P ⋅ sen α + μ P ⋅ cos α = = P ⋅ (sen α + μ ⋅ cos α)

P ⋅ sen α

FជR

vជ

Fជ

P ⋅ cos α

F = 1300 ⋅ 9,8 ⋅ (sen 15° + + 0,6 ⋅ cos 15°) = 10 680,9 N

Pជ

a) Si la carretera es horizontal, la única fuerza que se opone a la del motor es la fuerza de rozamiento, que ahora vale FR = μ ⋅ m ⋅ g. Se cumple: F−μ⋅m⋅g=0→F=μ⋅m⋅g Esta fuerza es menor que antes. b) Si la carretera está mojada, disminuye el coeficiente de rozamiento y, de la misma forma, disminuye la fuerza que necesita realizar el motor. c) Al cargar el coche aumenta el peso, lo que hace aumentar la fuerza normal (N) y la FR. En este caso la fuerza del motor tiene que ser mayor que cuando no va cargado. 25.

Calcula la velocidad máxima con la que un coche de 1100 kg de masa puede tomar una curva de 100 m de radio sin derrapar si el coeficiente de rozamiento entre las ruedas y el asfalto es de μ = 0,4. ¿Cómo se modifica el resultado si la carretera está mojada? FN = FR = m

→v =

v2 y; FR = μmg . Igualando: R v2 μmg = m → R

μgr =

0, 4 ⋅ 9, 8 ⋅ 100 = 19, 8 m/s

Si la carretera está mojada el coeficiente ជR no puede de rozamiento disminuye y la F mantener el coche en la curva. 26.

Calcula la aceleración de caída de una bola de acero de 10 kg de masa por un plano inclinado que forma un ángulo de 30° con la horizontal suponiendo: a) Que no hay rozamiento. b) Que el coeficiente de rozamiento es 0,2. c) ¿En cuál de los dos casos anteriores la bola llega a la base del plano inclinado con mayor velocidad?

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ជ N

FជR

P ⋅ sen α

P ⋅ cos α Pជ

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SOLUCIONARIO

a) P ⋅ sen α = ma → mg ⋅ sen α = ma → → a = 9,8 ⋅ sen 30° = 4,9 m/s b) P ⋅ sen α − μ P ⋅ cos α = ma → → mg sen α − μ mg cos α = ma → → a = g ⋅ (sen α − μ cos α) = = 9,8 m/s2 ⋅ (sen 30° − 0,2 ⋅ cos 30°) = 3,2 m/s2

Determina cuál es el coeficiente de rozamiento en el plano inclinado si el sistema de la figura está en equilibrio:

Tជ

F

F

ជ N

Tជ

P ⋅ sen α F

4 kg

P ⋅ cos α F F

FជR F

27.

F

c) Evidentemente, en el primer caso, ya que la aceleración es mayor.

4 kg

P

30° F

La suma de las fuerzas aplicadas al sistema de los dos cuerpos debe ser cero. Se cumple: ជ= P ជ ⋅ sen α + F ជR + T ជ= 0 Tជ+ P

T = P; FR + P ⋅ sen α = T → μ ⋅ mg ⋅ cos α + mg ⋅ sen α = mg → → sen α + μ ⋅ cos α = 1 → μ ⋅ cos α = 1 − sen α →

28.

1 − sen α 1 − sen 30° 0,5 = = = 0,58 cos α cos 30° 0, 86

Un carrusel de 10 m de diámetro da una vuelta cada 5 s. Un bloque prismático de madera está colocado sobre el suelo en el borde exterior del carrusel, a 5 m del centro. ¿Cuál debe ser el valor del coeficiente de rozamiento para que el cuerpo no sea lanzado al exterior?

Bloque

F

→μ=

10 m

F

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11 Las fuerzas La fuerza de rozamiento es la que mantiene al bloque girando. FR = m

v2 v2 → μmg = m → r r

⎛ ⎞ ⎜⎜v = 2πr = 2π ⋅ 5 m = 6,28 m/s.⎟⎟ ⎟⎟ ⎜⎜ ⎟⎠ T 5 s ⎝ → μ =

6,282 (m/s)2 v2 = = 0, 8 9, 8 m/s2 ⋅ 5 m gr

Una atracción de un parque de atracciones consiste en un cilindro vertical giratorio (3 m de radio) en cuya pared interior se colocan las personas con la espalda apoyada en la pared. Al girar rápidamente, un operario retira el suelo de la atracción y las personas quedan adheridas a la pared.

F

29.

FជR

ជ FR ជ P

F

6m F

F

a) Calcula la velocidad mínima que debe llevar el cilindro para que las personas no caigan, si el coeficiente de rozamiento con la pared es μ = 0,3. b) Calcula la velocidad angular del cilindro. c) ¿Cuántas vueltas da cada persona en un minuto? Las personas quedan pegadas a la pared, y si la fuerza de rozamiento iguala al peso, las personas no caen.

FR = μN, donde N = m a) FR = P → μ m →v =

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Rg = μ

2

v = mg → R

v2 R

FជR

FជN

3 ⋅ 9, 8 = 9, 9 m/s 0, 3

b) ω =

v 9, 9 m/s = = 3, 3 rad/s R 3m

c) N =

ϕ ; ϕ = ωt = 3,3 rad/s ⋅ 60 s = 198 rad → N = 31,5 vueltas 2π

Pជ

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SOLUCIONARIO

30.

En la siguiente gráfica se representa la caída de una gota de lluvia.

Velocidad

Tiempo a) ¿Cómo varía la velocidad? b) ¿Se ha tenido en cuenta el rozamiento? ¿Por qué lo sabes? c) Representa una gráfica correspondiente a la caída de una gota de agua en el aire sin rozamiento.

a) La velocidad va aumentando (no linealmente) hasta alcanzar un valor límite. b) Sin rozamiento la velocidad aumenta linealmente con el tiempo según la ecuación: v = gt. c) Respuesta gráfica: v

t

Unos ingenieros de tráfico están decidiendo qué señal limitadora de velocidad (60, 70, 80 o 90 km/h) colocan a la entrada de una curva de 110 m de radio peraltada con un ángulo de 15°. Calcula la velocidad (en km/h) que debe aparecer en la señal para evitar accidentes, considerando que no existe rozamiento.

ជ N

F F

Nota: presta atención a la dirección en que colocas la aceleración normal del vehículo. La aceleración normal debe estar contenida en el plano en el que el vehículo gira.

N ⋅ cos 45° N ⋅ sen 45°

Pជ

F

15°

F

31.

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11 Las fuerzas a) A la vista del resultado, ¿por qué crees que no se peraltan mucho todas las curvas de las carreteras? b) En el caso real, con rozamiento, ¿derraparán en la curva los coches que circulan justo a la velocidad que aparece en la señal?

P + N = N ⋅ sen α. ជN es la suma de las fuerzas P ជy N ជ. La F Se cumple:

N ⋅ cos α = mg; N ⋅ sen α = m De la primera N =

v2 R

mg , y al sustituir en la segunda: cos α

mg v2 v2 → g ⋅ tg α = → ⋅ sen α = m R cos α R →v =

g ⋅ R ⋅ tg α =

9, 8 ⋅ 110 ⋅ tg 15° = 17 m/s = 61, 2 km/h

Debe aparecer 60 km/h. a) Cuanto mayor es α, mayor es la velocidad con la que se puede tomar la curva. Pero las curvas no se peraltan demasiado para evitar que el vehículo vuelque cuando va despacio. b) No. No derrapan incluso sin rozamiento. La resolución está hecha suponiendo que no hay rozamiento. Calcula la constante k del muelle de un dinamómetro que se alarga 5 cm cuando colgamos de él una pesa de 500 g. k =

33.

F mg 0,5 kg ⋅ 9, 8 m/s2 = = = 98 N/m Δl Δl 0, 05 m

Una plataforma giratoria de 6 m de radio de un tiovivo gira a 5 rpm. a) Calcula la tensión de la cuerda de 3 m con la que se sujeta una persona de 55 kg al eje central de la plataforma del tiovivo. La cuerda soporta una tensión máxima de 90 N. b) ¿Se romperá la cuerda si el cuerpo se separa del eje y gira justo en el borde de la plataforma?

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F

32.

6m

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SOLUCIONARIO

a) La tensión de la cuerda es la fuerza centrípeta responsable ⎛ ⎞ 5 ⋅ 2π rad/s.⎟⎟⎟ del movimiento circular. ⎜⎜5 rpm = ⎜⎝ ⎟⎠ 60 v = ω ⋅R =

5 ⋅ 2π m/s2 ⋅ 3 m = 1,6 m/s 60

v2 1,62 (m/s)2 = 55 kg ⋅ = 45,2 N R 3m b) Si se duplica la distancia al eje de giro se duplica la velocidad lineal: T =m

v* = ω ⋅ (2R ) =

5 ⋅ 2π rad/s ⋅ 6 m = 3, 2 m/s 60

Y el nuevo valor de la tensión es: T* = m

v*2 3, 22 (m/s)2 = 55 kg ⋅ = 93, 8 N 2R 6m

Como la tensión T * supera la tensión máxima de la cuerda, esta se rompe.

34.

Un coche de 1100 kg acelera justo al entrar a una curva, de manera que su velocidad aumenta de 40 a 60 km/h en un tiempo de 10 segundos. a) Calcula la fuerza normal, la fuerza tangencial y la fuerza total en el vehículo cuando este está a mitad de la curva. b) Haz un esquema con las fuerzas. v1 = 40 km/h t=0 1 F

t = 10 s 50 m

2

v2 = 60 km/h

v1 = 40 km/h = 11,1 m/s; v2 = 60 km/h = 16,6 m/s.

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11 Las fuerzas La aceleración tangencial del coche es: aT =

16, 6 m/s − 11,1 m/s = 0, 55 m/s2 10 s

v2 16,62 (m/s)2 = 1100 kg ⋅ = 6062, 3 N R 50 m FT = maT = 1100 kg ⋅ 0,55 m/s2 = 605 N

a) FN = m

F =

F 2T + F N2 =

(605)2 + (6052, 3)2 = 6092, 4 N

b) Respuesta gráfica:

ជ FN

ជ FT ជ F

La fuerza Fជes la resultante de dos fuerzas: FជN y FជT.

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Trabajo y energía

PRESENTACIÓN Para completar el estudio de la mecánica se introducen los conceptos físicos de trabajo y energía. Los conceptos que se estudian en este tema tienen su propia acepción ligüística diferente de la física y provoca que el tema resulte familiar, pero complicado. Es importante diferenciar entre el uso coloquial y científico de trabajo para comprender que una persona que traslada un peso no siempre realiza trabajo físico; y que la potencia contratada en nuestros hogares limita el consumo de energía eléctrica simultáneo, pero no su uso secuencial. Además, comprender el concepto de eficiencia de un motor contribuye a un consumo responsable que favorece el cuidado de la biosfera y el respecto del medio ambiente.

OBJETIVOS • Saber cuáles son los cambios que la energía puede producir en los cuerpos. • Afianzar el concepto de conservación de la energía. • Diferenciar el concepto de trabajo desde el punto de vista de la física del término empleado en el lenguaje cotidiano. Diferenciar trabajo físico y esfuerzo. • Conocer las magnitudes de las que depende el trabajo útil desarrollado por una máquina. • Conocer el orden de magnitud de la potencia de algunas máquinas. • Comprender el concepto de rendimiento y el de energía consumida, pero no aprovechada. • Relacionar trabajo y variación de energía cinética. • Relacionar trabajo y variación de energía potencial gravitatoria. • Relacionar la fuerza de rozamiento con la energía disipada cuando un móvil se desplaza.

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12 Trabajo y energía CONTENIDOS Conceptos

• • • • • • • • • • • •

La energía y los cambios. Concepto de energía. Energía, trabajo y calor: primera ley de la termodinámica. Trabajo. Definición de trabajo. Interpretación gráfica del trabajo. Potencia y rendimiento. Relación entre potencia y trabajo. Unidades de potencia. Rendimiento de una máquina. Trabajo y energía cinética. La energía cinética. Teorema de la energía cinética. La energía cinética y la distancia de frenado. Trabajo y energía potencial. Energía potencial gravitatoria. El trabajo y la energía potencial gravitatoria. Energía potencial elástica. La energía potencial y las interacciones. Principio de conservación de la energía mecánica. Conservación de la energía con fuerzas no conservativas.

Procedimientos, • Interpretar gráficas. destrezas • Interpretar esquemas donde aparecen fuerzas dibujadas y deducir y habilidades a partir de ellos cuáles son algunas de las transformaciones energéticas que tienen lugar. • Calcular la energía cinética o la energía potencial que posee un cuerpo. • Resolver problemas numéricos aplicando el principio de conservación de la energía. • Elaborar esquemas que muestran las fuerzas que actúan sobre un cuerpo.

Actitudes

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• Adoptar hábitos que contribuyan al ahorro energético. • Valorar la importancia de comprender bien los conceptos de trabajo, potencia y rendimiento a la hora de diseñar máquinas. • Relacionar los conceptos estudiados en la unidad con temas sobre seguridad vial. • Interés por relacionar los contenidos estudiados con los fenómenos producidos a nuestro alrededor. • Admirar la precisión de los conceptos físicos frente a la ambigüedad lingüística con la que se utilizan. • Valorar la potencia de los cálculos energéticos en diferentes sistemas frente a su estudio cinemático.

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EDUCACIÓN EN VALORES 1 Educación para el consumo responsable y el medio ambiente Comprender el concepto de rendimiento de un motor contribuye a elegir responsablemente los aparatos electrodomésticos. Un aparato eficiente no solo es una buena inversión a largo plazo por el ahorro que supone para el consumidor, sino que es la elección menos agresiva para el medio ambiente por el uso responsable que se hace de la energía eléctrica. 2. Educación vial El alumno de Física y química de Bachillerato entiende que la potencia del motor de un vehículo mantiene una relación directa con la capacidad de aceleración que desarrolla y la velocidad que alcanza en un determinado intervalo de tiempo. Y el cuadrado de la velocidad corresponde a la energía cinética adquirida. En caso de accidente la energía cinética se degrada en calor y deformación. Cuanto mayor sea la energía, mayor será la degradación. Y el alumno utilizará responsablemente la potencia de sus vehículos. En esta unidad se relaciona la distancia de frenado en un automóvil con la energía cinética que este posee. Asimismo, se hace hincapié en conocer cuáles son los factores que afectan a la distancia de frenado. Algunos de ellos son más obvios y conocidos por todos: la velocidad y el estado del pavimento (en suelos mojados la distancia de frenado aumenta). Pero otros, como la pendiente por la que circula el vehículo o la carga que este lleva, deben tenerse también muy en cuenta a la hora de circular con turismos o camiones, en cuyo caso un mayor peso implica una mayor variación en la distancia de frenado en caso de una pendiente descendente.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN 1. Explicar el ámbito de aplicación del concepto de conservación de la energía. 2. Diferenciar el concepto de trabajo desde el punto de vista de la física del término empleado en el lenguaje cotidiano. Diferenciar trabajo físico y esfuerzo. 3. Indicar cuáles son las magnitudes de las que depende el trabajo útil desarrollado por una máquina. 4. Relacionar trabajo y variación de energía cinética y potencial y aplicarlo a la resolución de problemas numéricos. 5. Resolver problemas relacionando la fuerza de rozamiento con la energía disipada cuando un móvil se desplaza. 6. Aplicar los conceptos de trabajo y energía, y sus relaciones, en el estudio de las transformaciones y el principio de conservación y transformación de la energía en la resolución de problemas de interés teórico-práctico. 7. Aplicar el principio de y transformación de la energía y comprender la idea de degradación. 8. Adquirir una visión global de los problemas asociados a la obtención y uso de los recursos energéticos.

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12 Trabajo y energía 1.

Calcula el trabajo que realiza la fuerza peso cuando un cuerpo de 3 kg de masa cae desde una altura de 10 m.

W = F ⋅ s = mgh = 3 kg ⋅ 9,8 m/s2 ⋅ 10 m = 294 J 2.

Razona si realizan trabajo las personas del dibujo:

Δv

P

a) Mantiene 150 kg a una altura de 2 m durante 4 s.

b) Mantiene estirado el resorte durante 10 s.

c) La patinadora de 60 kg se desliza 10 m sin rozamiento a velocidad constante.

a) No. No hay desplazamiento. b) No. No hay desplazamiento. c) No. La fuerza peso es perpendicular al desplazamiento. 3.

Un cuerpo se mueve con movimiento circular y uniforme (ver figura). ¿Realiza trabajo la fuerza responsable de este movimiento? ¿Por qué? No. La fuerza centrípeta es perpendicular al desplazamiento.

4.

Una fuerza de 100 N que forma un ángulo de 30° con la horizontal tira de un cuerpo. Si el cuerpo se desplaza 2,6 m a lo largo del plano, calcula el trabajo realizado por esta fuerza. Si la fuerza de rozamiento es de 1,2 N, calcula también el trabajo realizado por dicha fuerza y el trabajo total realizado por ambas. F = 100 N

Fជ⊥ α = 30°

F⏐⏐

F⏐⏐ = F ⋅ cos α = = 100 ⋅ cos 30° = 86,6 N

WF = (Fជ⏐⏐ + Fជ⊥) ⋅ Δជ r = F⏐⏐ ⋅ Δs = 86,6 ⋅ 2,6 m = 225,16 J WFR = −FR⋅ s = −1,2 m ⋅ 2,6 N = 3,12 J

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SOLUCIONARIO

Por tanto:

WT = WF + WFR = 225,16 J − 3,12 J = 222,04 J 5.

Calcula la potencia de una grúa capaz de elevar un cuerpo de masa 500 kg con una velocidad constante de 0,5 m/s. P=

6.

W F ⋅s = = F ⋅ v = mgv = 500 kg ⋅ 9, 8 m/s2 ⋅ 0, 5 m = 2450 J t t

Calcula el consumo medido en kWh de una lámpara de 60 W de potencia enchufada 50 minutos. Compáralo con el consumo de una lámpara de bajo consumo de 12 W que proporciona la misma intensidad luminosa. P =

W J → W = P ⋅ t = 60 ⋅ 3000 s = 180 000 J t s

1 kWh = 1000

J

⋅ 3600 s = 3600 000 J

s

Por tanto: Consumo =

18 000 J = 5 ⋅ 10−3 kWh 3600 000 J/kWh

60 = 5 veces menor. El consumo de la lámpara de bajo consumo es 12 que el de la lámpara de 60 W.

7.

Un atleta levanta unas pesas de 150 kg a una altura de 2 m en 3 s. a) ¿Qué fuerza tiene que hacer para subir las pesas? b) ¿Qué trabajo realiza? c) Calcula la potencia del atleta. Fជ

Sobre las pesas actúan dos fuerzas: el peso y la que ejerce el atleta (F ). Primero se va a calcular la aceleración de las pesas: s =

1 2 at → a = 2

2s = t2

2⋅2 = 0,67 m/s2 9

Pជ

a) Aplicando la 2.ª ley de Newton: F − P = ma → F = mg + ma = m ⋅ (g + a) = = 150 kg (9,8 m/s2 + 0,67) = 1570,5 N

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12 Trabajo y energía b) W = F ⋅ s = 1570,5 ⋅ 2 m = 3141 J c) R =

8.

W 3141 J = = 1047 W t 3S

Una máquina bombea agua desde un depósito situado 4 m bajo el suelo. Para bombear 1000 L de agua hasta la superficie consume 100 000 J. a) ¿Cuál es el rendimiento de la máquina? b) ¿Qué ocurre con la energía que no se aprovecha? a) Wrealizado = F ⋅ h = mgh = 1000 N ⋅ 9,8 m/s2 ⋅ 4 cm = 39 200 J

Wconsumido = 100 000 J P =

Wrealizado 39 200 J ⋅ 100 = ⋅ 100 = 39, 2 % Wconsumido 10 000 J

b) La energía que no se aprovecha se transforma en calor (energía térmica). 9.

Un transformador urbano de energía eléctrica es una máquina muy eficiente; tiene un rendimiento de un 98, 5 %. a) ¿Cuánta energía se puede usar por cada MWh que llega al transformador? b) ¿Qué pasa con el resto? a) Por cada MWh se utiliza el 98,5%, es decir: 0,985 MWh ⋅

10 3 kWh 1 MWh

⋅

3,6 ⋅ 106 J 1 kWh

= 3,5 ⋅ 109 J

b) Se transforma en calor (energía térmica). 10.

¿Qué objeto tiene más energía cinética: un coche de 1200 kg de masa que se mueve con una velocidad de 80 km/h o un proyectil de 40 kg disparado con una velocidad de 200 m/s? Coche: E coche =

⎛ 80 ⎞⎟2 1 1 ⎟ (m/s)2 = 296296, 30 J mv 2 = 1200 kg ⋅ ⎜⎜ ⎜⎝ 3,6 ⎟⎟⎠ 2 2

Proyectil: E proyectil =

⎛ 200 ⎞⎟2 1 1 ⎟ (m/s)2 = 61 728, 43 J mv 2 = 40 kg ⋅ ⎜⎜ ⎜⎝ 3,6 ⎟⎟⎠ 2 2

Por tanto:

Ecoche > Eproyectil

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SOLUCIONARIO

11.

Una partícula α (42H2+) penetra en una región donde otras cargas eléctricas ejercen sobre ella una fuerza constante de 5 ⋅ 10−114 N. ¿Qué variación de energía cinética se produce en la partícula después de recorrer 3 cm? La variación de la energía cinética es igual al trabajo de las fuerzas eléctricas.

W = ΔEC Por tanto: ΔEC = F ⋅ s → ΔEC = 5 ⋅ 10−14N ⋅ 3 ⋅ 10−2 m → → ΔEC = 1,5 ⋅ 10−15 J

12.

Observa el dibujo e indica quién tiene más energía cinética.

m2 = 2m1

m1 v1 = 2ជ v2

Para el coche: 1 EC coche = m1v 12 2

F

ជ v2

F

Para el camión: ⎛ v 1 ⎞2 1 1 m1v 12 EC camión = (2m1) ⋅ ⎜⎜⎜ ⎟⎟⎟ = ⎝2⎠ 2 4 Así: →

13.

ECcamión =

E Ccoche 2

Un cuerpo de 0,5 kg de masa se mueve por una superficie horizontal a 5 m/s y se detiene tras recorrer 10 m. Halla la fuerza de rozamiento mediante consideraciones energéticas. v F ជ

FជR

v=0

FជR

Aplicando el teorema de la energía cinética:

W = ΔEC → W = −FR ⋅ s → −FR ⋅ s = 0 − → FR =

1 mv 2 → 2

mv 2 0,5 kg ⋅ 52 (m/s)2 = → 2s 2 ⋅ 10 m → FR = 0,62 N

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Calcula la energía cinética en cada caso y el tiempo que tarda cada uno en alcanzar la velocidad punta partiendo del reposo. Fórmula 1

Moto GP

Rally

Velocidad máxima (km/h)

Prestaciones

345

320

240

Potencia (CV)

800

180

350

Masa (kg)

500

130

1200

66

33

100

2 29 6 006

51 3 580

2 66 6 667

Consumo (L/100 km) Energía cinética (J)

(En todos los casos, para pasar una velocidad de km/h a m/s se divide entre 3,6.)

EC F1 =

⎛ 345 ⎞⎟2 1 1 ⎟ (m/s)2 = 2 296 006,1 J m ⋅ v 2 = 500 kg ⋅ ⎜⎜ ⎜⎝ 3,6 ⎟⎟⎠ 2 2

EC Moto =

⎛ 320 ⎞⎟2 1 1 ⎟ (m/s)2 = 513 580,2 J m ⋅ v 2 = 130 kg ⋅ ⎜⎜ ⎜⎝ 3,6 ⎟⎟⎠ 2 2

EC Rally =

⎛ 240 ⎞⎟2 1 1 ⎟ (m/s)2 = 2 666 666,7 J m ⋅ v 2 = 1200 kg ⋅ ⎜⎜ ⎜⎝ 3,6 ⎟⎟⎠ 2 2

El tiempo depende de la aceleración de cada móvil: v t = a 15.

Calcula la energía potencial de una maceta de 2 kg de masa colocada en la terraza de un edificio a 20 m de altura y la velocidad con la que llegaría al suelo si cayese. La energía potencial es:

EP = mgh = 2 ⋅ 9,8 ⋅ 20 = 392 J Aplicando el principio de conservación de la energía mecánica se halla la velocidad con que llega al suelo. m gh =

16.

1 mv 2 → v = 2

2gh =

2 ⋅ 9, 8 ⋅ 20 = 19, 8 m/s

Calcula la energía potencial de una lámina de cristal de 80 kg que está en un andamio situado a 12 m del suelo. ¿Qué le puede ocurrir si no se sujeta con seguridad? Justifícalo con datos sobre la velocidad con la que impactaría el cristal contra el suelo. Que se caiga y se rompa. Teniendo en cuenta lo dicho en el problema anterior: v =

310

2gh =

2 ⋅ 12 ⋅ 9, 8 = 15, 3 m/s

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SOLUCIONARIO

17.

Rocío opina que la energía potencial de la piedra del dibujo es de 400 J, y David calcula que vale 1000 J. ¿Quién tiene razón? Justifica tu respuesta. • Rocío

• David

• Depende 20 kg

2m

5m

Rocío

David

Ambos tienen razón, depende del sistema de referencia que se elija. • Desde la posición de David:

EP = mgh1 = 20 kg ⋅ 9,8 m/s2 ⋅ 5 m = 9803 J • Desde la posición de Rocío:

EP = mgh2 = 20 kg ⋅ 9,8 m/s2 ⋅ 2 m = 3923 J 18.

Contesta: a) ¿A qué altura hay que elevar el carrito para que al pasar por el punto más bajo su velocidad sea de 20 m/s? b) ¿Y si se duplica la masa del carrito? ជ v=0 A

EP = mgh h

B

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12 Trabajo y energía a) A partir del principio de conservación de la energia mecánica.

=

=

1 1 m v A2 + mgh A = m v B2 + mghB → 2 2 0 → m ghA =

0 2 B

1 v 20 (m/s)2 m v B2 → hA = = = 20, 4 m 2 2g 2 ⋅ 9, 8 m/s2 2

b) La masa no influye en el valor de la velocidad. En el apartado a) se ve que la masa se simplifica; esto solo ocurre si no hay rozamiento. 19.

Un péndulo está formado de un hilo de 2 m de longitud y una bolita de 100 g de masa. Cuando el péndulo pasa por su punto más bajo, lleva una velocidad de 5 m/s. a) ¿Qué altura máxima alcanzará la bolita? b) ¿Cuál será entonces su energía potencial? v=0

h F

ជ v

a) Aplicando el principio de conservación de la energía mecánica: v2 52 (m/s)2 1 = = 1, 30 m mv 2 = m gh → h = 2g 2 ⋅ 9, 8 m/s2 2 b) La energía potencial es la misma que la energía cinética que tenía en el punto más bajo. 1 1 E P = E C = mv 2 = ⋅ 0,1 kg ⋅ 25 (m/s)2 = 1,25 J 2 2 20.

Deja caer un balón de baloncesto, una pelota de tenis y una bola saltarina desde 1 metro de altura y anota la altura a la que rebota cada una. Calcula la EP inicial y la EP final en cada caso. • ¿Cuál es más elástica? • ¿Qué ha pasado con la energía «perdida»? Actividad práctica. La energía «perdida» se ha transformado en energía térmica.

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SOLUCIONARIO

21.

Un paracaidista desciende con velocidad constante. a) ¿Qué ocurre con su energía potencial? b) ¿En qué se transforma? a) Va disminuyendo con el tiempo a medida que cae. b) Se transforma en energía térmica debido a la fuerza de rozamiento del paracaídas con el aire.

22.

Cuando se deja caer una pelota desde una altura h no alcanza la misma altura tras rebotar con el suelo. ¿Por qué? Porque parte de su energía mecánica, en este caso potencial, se transforma en calor (energía térmica). El cuerpo va perdiendo energía por rozamiento con el aire y en los sucesivos choques, por lo que cada vez la altura alcanzada es menor.

23.

Se deja caer una caja de 2 kg desde la parte superior de un plano inclinado de 3 m de altura que forma un ángulo de 30° con la horizontal. Si la fuerza de rozamiento entre el cuerpo y el plano es de 2 N, calcula la velocidad de la caja al final del plano, cuando ha recorrido 6 m. A partir del teorema de la energía cinética.

Nជ

FR = 2 N

1 mv2 = (mg ⋅ sen α − FR) ⋅ s → 2

P ⋅ cos α h=3m

W = ΔEC = (mg ⋅ sen α − FR) ⋅ s →

P⋅

sen α

Pជ α = 30°

v= 24.

2 ⋅ (mg ⋅ sen α − FR ) ⋅ s = m

2 ⋅ (2 ⋅ 9, 8 ⋅ sen 30 − 2) ⋅ 6 = 6, 84 m/s 2

Siempre que una fuerza realiza trabajo sobre un cuerpo, ¿aumenta su energía? No. Puede disminuir si la fuerza tiene sentido opuesto al desplazamiento. Un ejemplo es la fuerza de rozamiento, que hace que disminuya la energía mecánica.

25.

Observa la figura y di qué representa el área sombreada.

F

s1

s2

Δs

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12 Trabajo y energía a) El trabajo realizado por una fuerza constante. b) El trabajo realizado por una fuerza que no es constante. c) No representa ningún trabajo, ya que la fuerza no es constante. b) Representa el trabajo de una fuerza cuyo módulo varía con la posición (no constante). Indica cuál de las tres fuerzas realiza más trabajo. Fជ v ជ

F

F

26.

F

Fជ

60° F

Fជ

ជ v

F

30° ជ v

F

El trabajo se calcula así:

W = Fជ⋅ Δជ r = F⏐⏐ ⋅ Δs = F ⋅ cos α ⋅ Δs ↓ Componente de la fuerza paralela al desplazamiento

El trabajo de una fuerza es mayor si la fuerza es paralela al desplazamiento. Se realiza más trabajo en el caso primero, ya que α = 0º y cos 0º = 1 Fជ ជ v

27.

Indica si las fuerzas dibujadas realizan trabajo. Fជ F

F

ជ v

Fជ G

F

ជ v

Sí, ambas fuerzas son paralelas al desplazamiento y, como son iguales, realizan el mismo trabajo. El trabajo de la primera es positivo, y el de la segunda es negativo.

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SOLUCIONARIO

28.

En una piedra que gira en un plano vertical atada a una cuerda: a) La tensión de la cuerda no realiza trabajo. b) La tensión de la cuerda sí realiza trabajo. c) Necesitamos conocer el valor de la tensión para decir si hay trabajo o no. a) La tensión de la cuerda es una fuerza perpendicular a la velocidad y, por tanto, no realiza trabajo.

29.

Trabajando con unidades, demuestra que la energía cinética se expresa en julios. 1 m2 m mv 2 → kg 2 = kg 2 ⋅ m = N ⋅ m = J 2 s s

EC =

30.

Si la velocidad de un cuerpo se hace cuatro veces mayor, ¿cómo varía su energía cinética? a) Aumenta 4 veces. b) Aumenta 16 veces. c) No varía; la energía se conserva. 1 ⋅ mv 2 Si v se multiplica por 4, la energía cinética 2 se multiplica por 42 = 16.

b) E C =

31.

¿Puede tener un valor negativo la energía cinética? ¿Y la energía potencial? ⎛ ⎞ 1 mv 2 ⎟⎟⎟. No hay nada La energía cinética siempre es positiva, ⎜⎜E C = ⎜⎝ ⎟⎠ 2 en la ecuación anterior que la pueda hacer negativa. La masa es una magnitud positiva, al igual que el cuadrado de la velocidad. La energía potencial puede ser positiva o negativa dependiendo de la elección del cero de energía potencial (h = 0). m

EP = mgh > 0

h h=0

h=0

EP = mg (−h) = −mgh < 0

−h

m

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Indica las transformaciones energéticas que tienen lugar cuando se deja caer una pelota y rebota varias veces hasta pararse. Al principio toda la energía es potencial. Según cae se va transformando en cinética, a la vez que disminuye la potencial. Debido al rozamiento con el aire y a los choques contra el suelo (no elásticos), parte de la energía mecánica se transforma en energía térmica hasta que finalmente la pelota se para.

33.

Una piedra cae desde una azotea. Si tenemos en cuenta el rozamiento: a) La energía cinética al llegar al suelo es igual que la energía potencial inicial de la piedra. b) La energía cinética al llegar al suelo es menor que la energía potencial inicial de la piedra. c) La energía cinética al llegar al suelo es mayor que la energía potencial inicial de la piedra. b) La EC al llegar al suelo es menor que la potencia inicial. A partir del teorema de la energía cinética: ΔEM = W FR. Como W FR < 0: ΔEM < 0 → EP i > EC suelo

34.

Calcula, utilizando razonamientos energéticos, la altura máxima que alcanza un cuerpo que es lanzado verticalmente ha cia arriba con una velocidad v0. ¿Se corresponde el resulta do con lo que se obtendría aplicando lo que recuerdas de los temas de cinemática? Si no se considera el rozamiento se cumple, a partir del principio de conservación de la energía mecánica, que la altura alcanzada es. 1 v2 mv 02 = mgy → y = 0 2 2g Esta expresión es la misma que se deduce de las ecuaciones de la cinemática para el movimiento vertical con aceleración constante. Partiendo de las ecuaciones del movimiento con aceleración constante para un cuerpo lanzado verticalmente hacia arriba:

hmáx vជ0

1 gt2 2 Al hacer v = 0 se obtiene el tiempo que se tarda en alcanzar el punto: v t = 0 g

v = v0 − gt; y = v0t −

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SOLUCIONARIO

Y al sustituir en y queda: v0 v 02 v 02 v 02 1 v 02 − g = − = g g g 2 2g 2g Ambos resultados son iguales. y = v0

35.

Una canica choca contra una pelota de plastilina inicialmente en reposo y se incrusta en ella. Elige la afirmación correcta:

ជ v F

a) Como el momento lineal se conserva en el choque, la energía cinética también se conserva. b) El momento se conserva, pero la energía cinética del sistema disminuye. c) El momento no se conserva, pero la energía cinética, sí. b) El momento lineal se conserva siempre (en ausencia de fuerzas exteriores), pero la energía cinética, no. Solo se conserva la energía cinética en choques elásticos entre cuerpos duros que no se deforman en el choque. En el caso del problema se conserva el momento, pero la energía cinética total disminuye. 36.

Un satélite gira en una órbita circular en torno a la Tierra. a) ¿Realiza trabajo la fuerza peso? Haz un dibujo. b) ¿Qué puedes decir de su energía cinética y potencial? a) La fuerza-peso (Pជ) es perpendicular a la velocidad y, por tanto, al desplazamiento, por lo que W = 0.

ជ v

Pជ

b) Ya que Fជ⊥ vជ, W = 0, y como W = ΔEC, entonces ΔEC = 0 → EC = cte. La energía cinética no varía. Como se trata de un sistema conservativo, la energía total es constante y, por tanto, también la EP (EP = E − EC). 37.

¿Depende la energía mecánica de un cuerpo del sistema de referencia elegido? Sí. La dependencia es debida a la EP. Su valor es relativo al punto de referencia elegido, es decir, el punto en el cual EP = 0.

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Se tienen dos muelles idénticos. Si después de estirados uno tiene el doble de longitud que el otro, ¿tendrá también el doble de energía potencial? 1 La EP de un muelle es E P = k Δl 2 . 2 • Muelle 1: pasa de l 0 a l 0 + Δ l . • Muelle 2: pasa de l 0 a l 0 + Δ l '. Si después de estirarlos el muelle 2 tiene doble longitud que el muelle 1, se cumple: l 0 + Δ l ' = 2 ⋅ (l 0 + Δ l ) → → l0 + Δl' = 2 l0 + 2 Δl → Δl' = l0 + 2 Δl La energía potencial del muelle 1 es: E P1 =

1 k Δl 2 2

Y la del muelle 2: 1 1 1 k (Δl )2 = k ⋅ (l 0 + 2Δl )2 = k l o2 + 2k ⋅ l o Δl + 2k ⋅ Δl 2 2 2 2 Por tanto, EP2 ≠ EP1. E P2 =

39.

El carrito se deja caer desde A . Contesta: C

A ជ v

B

F

Si no existe rozamiento:

Si existe rozamiento:

a) El vagón llega a B.

a) El vagón no llega a C.

b) El vagón llega a C.

b) El vagón llega a C.

c) El vagón llega a A.

c) El vagón llega a C, pero al volver con menos energía de la que tenía inicialmente.

Si no existe rozamiento debido al principio de conservación de la energía mecánica, el vagón va de A hasta C pasando por B, ya que A y C están a la misma altura. Luego volverá hacia atrás y alcanzará de nuevo el punto A. Si hay rozamiento hay pérdida de energía mecánica y el vagón no llega a C.

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SOLUCIONARIO

40.

En un pueblo se consumen 10 000 L de agua cada hora. Si la altura desde el pozo donde se extrae hasta el depósito de distribución es de 30 m, calcula la potencia de la bomba. d (agua) = 1000 kg/m3. El trabajo necesario para elevar 10 000 L de agua a 30 m de altura es:

W = mgh = 10 000 kg ⋅ 9,8 m/s2 ⋅ 30 m = 2 940 000 J Y la potencia de la bomba es: P =

41.

La lectura del contador de una vivienda marca un consumo de 40 kWh. Calcula la velocidad que alcanzaría un cuerpo de masa 10 kg si esta energía se utilizase en aumentar su velocidad partiendo del reposo. 3, 6 ⋅ 106 J = 1,44 ⋅ 108 J. Entonces: 1KWh

40 kWh ⋅ EC =

42.

W 2 940 000 J = = 816, 6 W t 3 600 S

1 mv 2 → v = 2

2E C = m

2 ⋅ 1, 44 ⋅ 10 8 = 5366,56 m/s 10

Se lanza un cuerpo de 500 g por un plano horizontal rugoso (μ = 0,4) con una velocidad de 10 m/s. Después de recorrer una distancia de 2 m comienza a ascender por un plano inclinado sin rozamiento.

ជ v

F

a) Calcula la altura que alcanza. b) ¿Cuánto vale la energía potencial del cuerpo en ese instante? v=0 C

m = 0,5 kg A

FR

v = 10 m/s

B

hC

2m

Tramo horizontal: WA = ΔEC; FR = μmg. ECB − ECA = −FR ⋅ sAB → ECB = ECA − FR ⋅ sAB = EC A − μmg sAB = B

=

1 0,5 ⋅ 102 − 0,4 ⋅ 0,5 ⋅ 9,8 ⋅ 2 = 25 − 3,92 = 21,08 J 2

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12 Trabajo y energía E CB

1 mv B2 → v B = 2

2E CB = m

2 ⋅ 21, 08 = 9,2 m/s 0,5

a) En el plano inclinado se cumple el principio de conservación de la energía mecánica, ya que no hay rozamiento. 9,22 m/s2 v B2 1 = 4, 3 m mv B2 = mghC → hC = = 2 ⋅ 9, 8 m/s2 2 2g b) EPC = mghC = 0,5 kg ⋅ 9,8 m/s2 ⋅ 4,3 m = 21,08 J La EPC es la misma que la EPB. 43.

Un proyectil de 80 g que se mueve con una velocidad de 200 m/s se incrusta en un bloque de madera en el que penetra cierta distancia antes de pararse. Si la fuerza de resistencia que opone el bloque es de 3000 N, halla la distancia que se empotra el proyectil. ជ v

F

A partir del teorema de la energía cinética: W = ΔE C → −FR ⋅ s = 0 − →s =

1 mv 2 → 2

mv 2 0, 08 kg ⋅ 2002 (m/s)2 = = 0,53 m 2FR 2 ⋅ 3000 N s

vជ

FជR

44.

Sobre un cuerpo actúa una fuerza constante que lo detiene después de recorrer 3 m. ¿Con qué velocidad se movía? v=0 vជ

Fជ

s=3m

De la misma forma que en el ejercicio anterior: 2F ⋅ s 1 mv 2 → v = = 2 m La velocidad depende de la fuerza aplicada de la masa. W = ΔE C → −F ⋅ s = 0 −

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2F ⋅ 3 m m

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SOLUCIONARIO

45.

¿Cuántos julios de energía eléctrica se convierten en luz y calor en una lámpara de 100 W en 5 horas?

W = P ⋅ t = 100 ⋅

46.

J s

⋅ 5 ⋅ 3600 s = 1800 000 J

¿Qué trabajo es capaz de realizar una máquina de 150 CV en media hora?

W = P ⋅ t = 150 CV ⋅

47.

735 W 1 CV

⋅ 1800 s = 198 450 000 J

Un automóvil de 1 300 kg se mueve con una velocidad de 100 km/h. a) Calcula el trabajo que realizan los frenos para detenerlo completamente. b) Si se ha detenido después de recorrer 80 m, halla la fuerza de rozamiento de los frenos. W = ΔEC. a) El trabajo realizado por los frenos es igual a la disminución de la energía cinética. W = ΔEC. ⎛ 100 ⎞⎟2 −1 1 ⎟ (m/s)2 = −501 543,2 J W = 0 − mv 2 = ⋅ 1300 kg ⋅ ⎜⎜ ⎜⎝ 3,6 ⎟⎟⎠ 2 2 b) W = FR ⋅ s → FR =

48.

W 501 543, 2 J = = 6269, 3 N s 80 m

Sabiendo que el rendimiento de un motor es el porcentaje de energía que se transforma en trabajo útil, calcula la potencia de una bomba que eleva 1 m3 de agua por minuto hasta la azotea de un edificio de 15 m de altura si se supone un rendimiento del 60 %. Wútil = mgh = 1000 ⋅ 9, 8 (m/s)2 ⋅ 15 m = 147 000 J Por tanto: Pútil = R =

49.

Wútil 147 000 J = = 2450 W t 60 s

Pútil P 2450 W → Pteórica = útil = = 4083, 33 W Pteórica R 0,6

Se hacer girar verticalmente un cuerpo que está unido a una cuerda de 1,5 m de longitud. a) Si la velocidad en el punto más bajo es de 10 m/s, halla su valor en el punto más alto. b) ¿Qué velocidad mínima debe llevar en el punto más bajo para completar la circunferencia?

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12 Trabajo y energía Se cumple el principio de conservación de la energía mecánica. De las dos fuerzas que actúan, una, el peso, es conservativa, y la otra, la tensión de la cuerda, no realiza trabajo.

l = 1,5 m

1 1 a) mv 2 = m g ⋅ (2l ) + mv ' 2 → 2 2 → v 2 = 4 gl + v 12 → v ' = =

102 − 4 ⋅ 9, 8 ⋅ 1, 5 =

v 2 − 4 gl = 100 − 58, 8 = 6, 4 m/s

b) Para que complete la trayectoria circular con velocidad mínima la tensión de la cuerda en el punto más alto debe ser nula. La única fuerza que actúa sobre el cuerpo en ese punto será el peso. FN = mg = m →v =

gl =

v = 10 m/s

vជ Pជ

v2 v2 → mg = m → R l 9, 8 ⋅ 1, 5 = 3, 8 m/s

vជmin

Del principio de conservación de la energía: 1 1 mv m2 í n = m g (2l ) + mv 2 → v m2 í n = 4 gl + v 2 → 2 2 → v m2 í n = 4 ⋅ 9, 8 m/s2 ⋅ 1,5 m + 3, 82 (m2/s)2 = 73,24 m2/s2 → v m í n = 8,5 m/s 50.

Se dice que un choque es elástico cuando se conserva la energía cinética. Un ejemplo de choque elástico es el que se produce entre dos bolas de billar. Supón que una bola de billar choca frontalmente con otra que se encuentra en reposo. Teniendo en cuenta lo dicho, calcula la velocidad de las bolas después del choque. Nota: es conveniente usar la expresión de la energía cinética en función del momento lineal. La dirección en que se mueven los cuerpos después del impacto es la misma que la que tenía el cuerpo antes de chocar. vជ m

EC =

322

v=0 m

⎧⎪⎪p 1 = p'1 + p'2 ⎨ ⎩⎪⎪E C1 = E'C1 + E'C2

p2 p 21 p'12 p' 22 → = + → p 21 = p'12 + p' 22 2m 2m 2m 2m

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SOLUCIONARIO

⎧⎪ mv 1 = mv '1 + mv '2 ⎧⎪⎪p 1 = p'1 + p'2 ⎧ → ⎪⎨ → ⎪⎪⎨v 1 = v '1 + v '2 → ⎨ 2 ⎪⎪⎩p1 = p'12 + p'22 ⎪⎪ m 2 v 2 = m 2v ' 2 + m 2 v ' 2 ⎪⎪⎩v 12 = v '12 + v '22 1 2 1 ⎩ → v '1 + v '2 + 2v '1 v '2 = v '12 + v '22 → 2v '1 v '2 = 0 Hay dos soluciones. • v '2 = 0 y v '1 = v 1 (físicamente imposible) • v '1 = 0 y v '2 = v 1 La bola que choca queda en reposo y la que recibe el impacto sale con la misma velocidad que tenía la que chocó con ella. 51.

La altura máxima de una montaña rusa es 40 m. Los coches que transportan a las personas son elevados hasta esta altura y después se les deja deslizar hasta completar el recorrido. a) Halla la velocidad del carrito en dos puntos cuyas alturas son 30 m y 10 m, despreciando el rozamiento. b) ¿Por qué la altura inicial del coche es la máxima de todo el recorrido? Se cumple el principio de consecución de la energía mecánica. a) mg h =

1 mv ' 2 + mg h' → v ' 2 = 2g ⋅ (h − h') → v' = 2g ⋅ (h − h') 2

• A 30 m → v ' =

2 ⋅ 9, 8 ⋅ (40 − 30) = 14 m/s

• A 10 m → v ' =

2 ⋅ 9, 8 ⋅ (40 − 10) = 24, 2 m/s

b) Porque el principio de conservación de la energía mecánica prohíbe alcanzar una altura mayor. 52.

Una pelota golpea a otra inicialmente en reposo. Tras el choque, la primera pelota se para y la segunda comienza a moverse. a) Teniendo en cuenta que el coeficiente de rozamiento es de 0,15, calcula la distancia recorrida por la segunda pelota hasta pararse. b) Si el choque se produce en una superficie más rugosa, ¿cómo se modifica el resultado? c) ¿Se conserva la energía? a) Tras el choque, la única fuerza que actúa es la de rozamiento, por lo que: μ mg = ma → a = μ g = 0,15 ⋅ 9, 8 m/s2 = 1, 47 m/s2 La distancia recorrida será: v 02 − v 2 = 2a ⋅ s → s =

v 02 2a

b) Si FR aumenta recorre menos espacio hasta pararse. c) La energía mecánica no; la energía, en general, sí.

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¿A qué velocidad debería subir una persona de 60 kg por una escalera para desarrollar una potencia de 1 kW? W F ⋅s P = = F ⋅v → v = t t F La fuerza mínima que tiene que hacer es la que necesita para subir su propia masa.

P =

F = mg → v =

54.

P 1000 J/s = = 1, 7 m/s mg 60 kg ⋅ 9,8 N

¿Qué altura máxima alcanzará la bolita de un péndulo si la velocidad en la parte más baja es de 2 m/s? Se cumple el principio de conservación de la energía mecánica. 1 mv 2 = mgh → 2 →h =

4 (m/s)2 v2 = = 0, 2 m 2g 2 ⋅ 9, 8 m/s2

h h=0

v = 2 m/s

55.

¿Qué tiene más energía potencial, un cuerpo de 10 kg a una altura de 5 m o un muelle con k = 30 N/cm deformado 40 cm? E P cuerpo = mgh = 10 kg ⋅ 9, 8 m/s2 ⋅ 5 m = 490 J E P muelle =

1 2 1 kx = 3000 N/m ⋅ 0, 4 m2 = 240 J 2 2

Por tanto: E P cuerpo > E P muelle . 56.

Dos cuerpos de la misma masa que están unidos con una cuerda que pasa por la garganta de una polea se mueven con velocidad constante. Demuestra que en estas condiciones la energía potencial del sistema formado por las dos masas es constante. La energía potencial gravitaroria no varía porque lo que aumenta la energía potencial de una masa al subir disminuye la de la otra al bajar. Ambas masas son iguales, y lo que asciende una lo desciende la otra.

Tជ

Pជ

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Tជ

Pជ

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SOLUCIONARIO

57.

Un tractor tira de un carro de 400 kg con una fuerza de 800 N (para vencer el rozamiento), recorriendo 15 m. Una grúa levanta el mismo carro a lo alto de un edificio de 15 m. Indica si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones: a) Los dos realizan el mismo trabajo. b) El tractor realiza un trabajo de 12 000 J, y la grúa, 60 000 J. c) Es imposible que el tractor mueva un carro que pesa 4000 N con una fuerza de 800 N. d) El tractor no realiza trabajo porque no sube el carro ni un solo metro. b) Wtractor = F ⋅ s = 800 N ⋅ 15 m = 12 000 J Wgrúa = mgh = 400 kg ⋅ 9, 8 m/s2 ⋅ 15 m = 58 800 J 60 000 J Así: Wgrúa > Wtractor . Las otras (a, b y d) son falsas.

58.

Un Airbús de 560 toneladas vuela a 0,85 Mach (1 Mach equivale a 340 m/s) a una altura de 10 km. a) Calcula su energía cinética, la potencial y la mecánica. b) Si no asciende a más altura ni incrementa su velocidad, ¿necesita combustible para mantenerse? ¿Por qué? a) E C =

1 1 mv 2 = 560 000 kg ⋅ (0, 85 ⋅ 340)2 (m/s)2 = 2, 3 ⋅ 1010 J 2 2

E P = mgh = 560 000 kg ⋅ 9, 8 m/s2 ⋅ 10 000 (m/s)2 = 5, 5 ⋅ 1010 J E T = E C + E P = 2, 3 ⋅ 1010 J + 5,5 ⋅ 1010 J = 17,8 ⋅ 1010 J b) Evidentemente, un avión necesita una velocidad mínima para sustentarse en el aire, pero para mantener esa velocidad necesita vencer la fuerza de rozamiento con el aire y, por tanto, gastar energía que proviene del combustible que consume.

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Calor y energía

PRESENTACIÓN La termodinámica es una de las áreas de la física donde los sistemas tienen comportamientos no lineales, donde la energía no se conserva y se degrada y donde la línea del tiempo está dirigida por una magnitud física. Dominar estos conceptos es una labor complicada, pero introducirlos y familiarizarse con ellos es un objetivo al alcance de un alumno de bachillerato.

OBJETIVOS • Repasar los fundamentos básicos de la teoría cinético-molecular de la materia. • Diferenciar claramente calor y temperatura. • Saber cómo se transfiere la energía entre los cuerpos. • Saber cuáles son los efectos que el calor causa sobre los cuerpos. • Saber de qué depende la sensación de frío o de calor que tenemos cuando tocamos objetos situados en una misma habitación. • Conocer la experiencia de Joule y su importancia para comprender los fenómenos relacionados con el calor. • Entender el concepto de entropía y su relación con la teoría cinética y la flecha del tiempo.

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13 Trabajo y energía CONTENIDOS

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Conceptos

• Termodinámica. Sistemas formados por muchas partículas. Sistemas termodinámicos. • Relación entre energía, temperatura y calor. • El principio cero de la termodinámica. • Temperatura. Medida de la temperatura: termómetros. Significado microscópico de la temperatura. • El cero absoluto. ¿Por qué usamos la escala Kelvin? • Transferencias de energía. Calor y trabajo. • Efectos del calor. – Aumento de la temperatura: el calor específico. – Cambios de estado: calor latente. – Dilatación de sólidos, líquidos y gases. • El calentamiento global del planeta. • Mecanismos de transmisión del calor. – Transmisión de calor por conducción. – Transmisión de calor por convección. – Transmisión de calor por radiación. • Conservación de la energía: el primer principio de la termodinámica. • La energía interna. El principio de conservación de la energía. • El equivalente mecánico del calor: la experiencia de Joule. • El segundo principio de la termodinámica: la entropía. • Entropía y la segunda ley de la termodinámica. Entropía y probabilidad. • La entropía y el desorden. La entropía y la flecha del tiempo.

Procedimien tos, destrezas y habilidades

• Interpretar gráficas y tablas. • Resolver problemas numéricos en los que tiene lugar un equilibrio térmico. • Interpretar esquemas en los que se indica el flujo de energía entre dos cuerpos o sistemas. • Interpretar esquemas en los que se muestran las partículas que forman la materia y su movimiento, y relacionar este movimiento con la temperatura. • Calcular de manera cuantitativa los efectos que causa el calor: dilatación de cuerpos, cambios de estado o aumento de temperatura. • Elaborar gráficas que muestren el aumento de temperatura o los cambios de estado que se producen en una sustancia en función del tiempo. • Interpretar gráficos de líneas, barras o sectores relacionados con el calentamiento global de la Tierra.

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Actitudes

• Adoptar hábitos encaminados a ahorrar energía. • Valorar las medidas tomadas por los organismos correspondientes y encaminadas a solucionar el problema del calentamiento global. • Mostrar gusto por buscar explicaciones racionales a los fenómenos que se producen en la naturaleza.

EDUCACIÓN EN VALORES 1 Educación medioambiental El calentamiento global del planeta es un problema serio en nuestros días. En una unidad donde el calor es el protagonista no podemos dar la espalda a este asunto, aunque muchos de los tópicos que aparecen al abordarlo caen fuera del mundo de la física. Es particularmente importante destacar a los alumnos que no basta con comprometerse a lograr algo. Los compromisos adoptados a nivel internacional deben cumplirse. Algunos países recibieron fuertes críticas por no suscribir el compromiso de Kioto, pero las críticas deberían ser las mismas para aquellos que se comprometieron y que no están cumpliendo sus promesas. 2. Educación para el consumo responsable Cuando la energía se degrada se transforma en calor. Y es difícil transformar el calor de nuevo en energía. Para conseguirlo es necesaria una fuente a temperatura menor y no resulta energéticamente rentable cuando la fuente se consigue artificialmente. La idea de pérdida efectiva de energía cuando se convierte en calor genera responsabilidad medioambiental sobre el alumno y favorece un consumo responsable.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN 1. Interpretar gráficas y tablas relacionadas con el calentamiento de una sustancia. 2. Resolver problemas numéricos en los que tiene lugar un equilibrio térmico. Con cambios de estado o sin ellos. 3. Relacionar el movimiento microscópico de las partículas que forman la materia con la temperatura. 4. Explicar el concepto de entropía y relacionarlo con los conceptos de probabilidad y de flecha del tiempo. 5. Calcular de manera cuantitativa los efectos que causa el calor: dilatación de cuerpos, cambios de estado o aumento de temperatura.

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13 Calor y energía 1.

Clasifica los siguientes sistemas en abiertos, cerrados y aislados: a) Un virus. f) Un frigorífico. b) El motor de un avión. g) El mercurio en un termómetro. c) El mar. h) Una planta. d) Un motor eléctrico. i) Una pila. e) El universo.

Abiertos: pues pueden intercambiar materia y energía con el entorno: a), b), c), h) y el frigorífico f). Cerrados: pues no pueden intercambiar materia, sino solo energía: d), g), i) (mientras no esté estropeada) y el frigorífico f) si se mantiene cerrado. Aislados: no pueden intercambiar ni materia ni energía con el entorno. En realidad no existen más que como aproximaciones, excepto por el universo e), que si se define como «todo lo que hay»; no tiene entorno con el que intercambiar nada. 2.

Señala qué afirmaciones son verdaderas: a) La temperatura es el calor que tienen los cuerpos. b) Un cubito de hielo a 0 °C puede ceder calor a otro que está a −1 10 °C. c) El calor es la energía que tienen los cuerpos calientes. a) Es falsa porque la temperatura no es ota cosa que una medida de la energía cinética del movimiento atómico aleatorio del que antes hablamos. b) Sí es verdad que un cuerpo a 0 °C puede transferir energía térmica a otro a −10 °C (que está a menor temperatura). Coloquialmente se dice que «le cede calor». c) Es falsa porque el calor no es una energía, sino un modo de transferencia de energía entre cuerpos a distinta temperatura y debido al movimiento aleatorio de sus partículas a escala atómica.

3.

Completa la tabla: Temperatura ( °C)

Temperatura (K)

15

298

Temperatura del espacio profundo

−270

3

Temperatura de la superficie del Sol

5607

5880

Temperatura más fría registrada en los polos

−89

Temperatura calculada para el centro del Sol

15,7 ⋅ 10

Temperatura media de la Tierra

330

184 6

15,7 ⋅ 106

Temperatura de un horno a fuego medio

180

453

Temperatura típica de ignición de la gasolina

260

533

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SOLUCIONARIO

4.

¿Por qué no pueden existir temperaturas por debajo del cero absoluto? El cero absoluto, «cero Kelvin» (0 K), corresponde a una energía cinética media de las partículas del sistema igual a cero. Como ⎛ ⎞ 1 las energías cinéticas son siempre positivas o cero ⎜⎜⎜E cin = mv 2⎟⎟⎟, ⎝ ⎠ 2 ese valor medio nunca puede ser negativo. Dicho de otro modo: cuando loas partículas ya están quietas no pueden ir más despacio.

5.

¿La temperatura es una propiedad macroscópica o microscópica? Es decir, ¿podemos hablar de la temperatura de una partícula o se necesita un sistema con muchas partículas? La temperatura, definida de modo que sea proporcional al valor medio de la energía cinética de las partículas, es una propiedad estadística de los sistemas de muchas partículas. En ese sentido, no es una propiedad microscópica (un átomo o molécula no tienen temperatura definida), sino macroscópica (pues solo los agregados de muchas partículas tienen definido el valor medio de la energía cinética) y, además, solo se puede hablar de temperatura en estados de equilibrio.

6.

Imagina los átomos y moléculas del aire en un globo cerrado en continuo movimiento caótico, moviéndose a cientos de metros por segundo y chocando con las paredes… a) ¿Cuál es el momento lineal (cantidad de movimiento) total de las moléculas? Pista: ¿es capaz de moverse solo el globo? b) Explica la respuesta al apartado anterior teniendo en cuenta el carácter vectorial del momento lineal de cada partícula y el tipo de movimiento (ordenado o caótico) que tiene. El momento lineal total del globo es cero, pues de otro modo, se movería solo. Esto es así porque el momento lineal total es la suma de los momentos N ជTOTAL = ∑ p ជk (donde p ជk es el momento de las partículas p k =1

de una partícula, y Σ denota la suma de los momentos individuales. Ahora bien, las partículas se mueven al azar, de modo que sus momentos lineales también son aleatorios; apuntan en cualquier dirección y sus módulos están distribuidos de modo que su suma será cero; la suma no puede apuntar en ningúna dirección particular si no hay otras fuerzas presentes.

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Existen jarras con una resistencia eléctrica en su interior usadas para calentar agua y preparar infusiones. Si nuestro sistema es el agua contenida en uno de esos recipientes:

Resistencia

a) ¿Qué tipo de movimiento tienen los electrones que forman la corriente eléctrica que circula por la resistencia, ordenado o desordenado? Es decir, ¿se trata de movimiento térmico, o no? b) Indudablemente, hay una transferencia de energía al agua. ¿Es en forma de calor o de trabajo? Pista: ¿forma la resistencia parte del entorno, definido como todo aquello que NO es el sistema? c) ¿Qué sucede con otras formas de hervir el agua (una cazuela en una cocina de gas, un vaso en un microondas)? ¿La transferencia de energía se lleva a cabo en forma de trabajo o de calor? a) Los electrones de la corriente se mueven ordenadamente por el cable; eso es una corriente eléctrica. b) Como los electrones (mejor dicho, su movimiento) son la causa de la transferencia de energía y estos se mueven ordenadamente por el conductor, que forma parte de los alrededores (o entorno) del sistema, se trata de trabajo (aunque intuitivamente diríamos que la resistencia se calienta y, por tanto...). c) En una cocina de gas, la transferencia de energía es en forma de calor, pues en los alrededores del sistema el movimiento de las partículas es aleatorio. En un microondas diríamos que es trabajo, pues las ondas electromagnéticas que agitan a las moléculas (de agua) del sistema no suponen un movimiento caótico, sino coherente y ordenado. 8.

¿Cuántos julios «recibe» una persona que toma 3000 kcal cada día en su dieta? 4,19 J 1000 cal ⋅ = 4190 J, entonces 1 cal 1kcal 1000 cal 4,19 J 3000 kcal ⋅ ⋅ = 1,257 ⋅ 107 J 1 cal 1 kcal

Como 1 kcal ⋅

9.

332

¿Qué energía térmica hay que suministrarle a un vaso de agua (unos 100 g) para calentarlo desde los 25 °C hasta los 98 °C? ¿Y a la misma cantidad de aceite de oliva? (Consulta la tabla de calores específicos.) Nota: la temperatura de ebullición del aceite de oliva es de unos 300 °C. Cuando freímos algo, NO hervimos el aceite, sino el agua que contienen los alimentos.

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SOLUCIONARIO

Para calentar 100 g de agua de 25 °C a 98 °C; suponiendo que no hay ebullición, pues en los cambios de estado la cosa cambia, se cumple para la energía térmica: Q = c ⋅ m ⋅ ΔT (siendo c el calor específico) → J = 0,1 kg ⋅ 73 K ≈ 30 500 J → Qagua = 4180 kg ⋅ K J Si se trata de agua, nada cambia salvo que c ≈ 1680 kg ⋅ K Q aceite = 12 300 J (mucho menor) Lo que es (una) razón para freír con aceite y no cocinar con agua. 10.

Transforma los valores de calor específico de la tabla de J/(kg ⋅ K) a cal/(g ⋅ °C). Para pasar de J/(kg ⋅ K) a cal/(g ⋅ °C) ⎛ 1 ⎞⎟ ⎜⎜ ⎟ cal ⎝⎜ 4,19 ⎟⎠⎟ J cal 1 =1 = 2, 4 ⋅ 10 4 kg ⋅ K g ⋅ °C 1000 g ⋅ °C • 1 cal = 4,19 J

Material

• 1 000 g = 1 kg • Un °C es igual que un K, aunque los orígenes de cada escala difieran.

0,093

Acero

0,11

Vidrio

0,20

Aluminio

0,21

Oxígeno (g)

0,22

Nitrógeno (g)

0,25

Aceite de oliva (l)

0,70

Madera (*)

0,42

Vapor de agua

0,47

Hielo (−10 °C)

0,50

Agua líquida

(*) Hay muchos tipos de madera.

11.

c [cal/(g ⋅ °C)]

Cobre

1

Se introduce una barra de 200 g de acero a 80 °C en un recipiente con 5 litros de agua a 20 °C. ¿Cuánto aumenta la temperatura del agua? Dato: cacero = 0,45 kJ/(kg ⋅ K). En el equilibrio térmico se equilibran las temperaturas (a t F) y toda la energía térmica (calor) que uno cede es absorbida por el otro: Q absorbido = Q cedido →

|

acero

| |

|

→ ca ⋅ ma ⋅ (t F − t a0) = −cs ⋅ ms ⋅ (t F − t s0) Ya que no hay cambios de estado.

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13 Calor y energía El agua (a), que empieza a temperatura t a0 y termina a una temperatura mayor t f absorbe (Q > 0) para bajar desde t s0 hasta t F. Por eso se cambia de signo el «calor» cedido por el acero. Despejamos la temperatura final t F (AGUA) camat F −

camat a0 = csmst F + csmst s0 (ACERO) → → camat F + csmst F = csmst s0 + camat a0 → → (cama + csms) ⋅ t F = csmst s0 + camat a0 Usando los valores numéricos: ma = 5 kg y ca = 4 180 J/kg ⋅ K: c smst so + c amat ao = c ama + c sms kJ kJ 0, 45 ⋅ 80 °C ⋅ 0,2 kg + 4,18 ⋅ 20 °C ⋅ 5 kg kg ⋅ °C kg ⋅ °C tF =

tF =

kJ kJ ⋅ 5 kg + 0, 45 ⋅ 0,2 kg 4,18 kg ⋅ °C kg ⋅ °C

= 20,3 °C

La temperatura del agua sube de 20 °C a 20,3 °C, ya que la masa de acero era pequeña y, además, el agua tiene un calor específico «grande» (frente al acero). 12.

En una experiencia de laboratorio se introduce una bola de 50 g de cobre inicialmente a 80 °C en un calorímetro que contiene 0,5 litros de agua a 20 °C. La temperatura de la mezcla es de 20,6 °C. Calcula el calor específico del cobre. En el equilibrio, el calor «cedido» por el cobre lo «absorbe» el agua íntegramente: Q absorbido = Q cedido →

|

agua

| |

cobre

|

→ ca ⋅ ma ⋅ (t F − t a0) = −cs ⋅ ms ⋅ (t F − t c0) (no hay cambios de estado) El calor específico del cobre es (a estas temperaturas): kJ 4,18 ⋅ 0,5 kg ⋅ (20,6 °C − 20 °C) kg ⋅ °C c m ⋅ (t − t a0 ) cc = a a F = → 0, 050 kg ⋅ (80 °C − 20,6 °C) mc ⋅ (t c0 − t F ) → c c = 0, 42 13.

kJ kg ⋅ °C

Calcula el coeficiente de dilatación lineal del aluminio sabiendo que cuando calentamos 50 °C una varilla de 1 m su longitud aumenta 1,2 mm. En este caso es válida: L = L0 (1 + α ⋅ ΔT ). Y queremos despejar ΔT :

L = L0 (1 + α ⋅ ΔT ) → L = L0 + α ⋅ ΔT → →α =

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L − L0 1,2 mm = = 2, 4 ⋅ 10−5 °C−1 L 0ΔT 1000 mm − 50 °C

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SOLUCIONARIO

14.

Si tragamos 200 g de hielo sacado de un congelador casero a una temperatura de −1 18 °C, primero el hielo se calienta hasta los 0 °C, luego se funde y finalmente se vuelve a calentar hasta unos 36 °C. Emplea los datos de la tabla y calcula cuánto varía nuestra energía en el proceso. Pista: considera que nosotros y el hielo constituimos un sistema aislado; si el hielo pierde energía, nosotros la ganamos, y viceversa. En primer lugar, le cedemos calor al hielo hasta llevarlo a la temperatura de fusión (−18 °C → 0 °C): J Q 1 = c H ⋅ m H ⋅ ΔT = 2090 ⋅ 0,2 kg ⋅ 18 °C = 7500 J kg ⋅ °C Luego lo fundimos: kJ Q 2 = m H ⋅ L H, cong = 0,2 kg ⋅ 334 = 67 kJ = 67 000 J kg Y finalmente lo calentamos hasta los 36 °C: J Q 3 = c A ⋅ m A ⋅ ΔT = 4180 ⋅ 0,2 kg ⋅ 36 °C = 30 100 J kg ⋅ °C En total, Q = 7500 J + 67 000 J + 30 100 J = 105 000 J = 105 kJ (que son como 25 kcal). ¡Esta no es una buena manera de adelgazar!

15.

Ahora, al revés, ¿qué diferencia de calorías hay entre beberse un té frío (a 4 °C) y uno caliente (a 45 °C)? Supongamos que el calor específico del té es como el del agua. kJ = cA. En una taza de té hay unos 200 g. kg ⋅ °C En nuestro cuerpo, el té frío se ha de calentar desde los 4 °C hasta nuestros 36 °C, para lo que absorbe (y nosotros perdemos) la energía térmica. J Q Té, F = c Té ⋅ m Té ⋅ ΔTTé, F = −4 180 ⋅ 0,2 kg ⋅ (36 °C − 4 °C) = kg ⋅ °C = 26 800 J mientras que el té caliente se ha de enfriar desde los 45 °C hasta los 36 °C, de modo que pierde (de ahí el signo «−») y nosotros ganamos la energía térmica. J Q Té, C = c Té ⋅ m Té ⋅ ΔTTé, C = −4180 ⋅ 0,2 kg ⋅ (36 °C − 45 °C) kg ⋅ °C = −7500 J Suponiendo (lo que no es exacto, pero sí aproximadamente cierto) que c Té no cambia en ese rango de temperaturas. Supongamos cTé = 4,18

16.

Cuando colocamos las manos por encima de una hoguera se calientan antes que si las colocamos lateralmente. ¿Por qué? ¿De qué forma nos llega el calor en cada caso?

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13 Calor y energía Si ponemos las manos encima el calor nos llega por radiación (poco) y, sobre todo, por convección, pero esta forma está mucho menos presente si no ponemos las manos encima, sino en los laterales, en cuyo caso el fuego nos calienta por radiación casi exclusivamente. 17.

Si durante un viaje por el espacio salimos de la nave, necesitaremos un traje para no morir congelados (la temperatura allí es de unos 3 K, es decir, −2 270 K). ¿De qué mecanismos de transmisión del calor debemos protegernos? Pista: en el espacio profundo apenas hay materia…, es el vacío más perfecto posible. El único mecanismo de transferencia de calor que puede sobrevivir en el vacío es la radiación electromagnética, que no requiere un soporte material.

18.

Analiza cómo el diseño de un termo intenta minimizar los tres modos de transmisión del calor asociando los elementos que aparecen en la figura con uno o más de ellos.

Superficie

reflectante El vacío intenta minimizar las pérdidas por conducción y convección. El recubrimiento Vacío reflectante se ocupa de minimizar la radiación (sobre todo infrarroja) que se escapa Material aislante y el material aislante (que suele ser un medio poroso, con mucho aire) trata de minimizar la conducción.

19.

¿Por qué no apreciamos un aumento de la temperatura del agua cuando nos tiramos desde un trampolín, si nuestra energía potencial se convierte en calor al llegar al agua? ¿Podrías apoyar tu respuesta con una estimación numérica? Basta hacer un cálculo aproximado para verlo. Si estamos en un trampolín a 10 m del agua, nuestra energía potencial arriba respecto del agua, y suponiendo que nuestra masa es de 60 kg, será:

EP = mg ⋅ Δh = 60 kg ⋅ 9,8 20.

m ⋅ 10 m = 5900 J = 1400 cal s2

Imagina que calentamos el aire contenido en un globo (ese aire será nuestro sistema) y, como consecuencia, el globo se expande. a) ¿Ha habido transferencia de energía térmica o calor? ¿Qué signo tiene? b) ¿Se produce algún trabajo en el proceso? ¿«Lo hace» el sistema o los alrededores? c) ¿Qué signo tiene el trabajo? d) La variación de energía interna del aire ¿coincide con el calor suministrado o es diferente? Si es diferente, ¿es mayor o menor?

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SOLUCIONARIO

a) Sí, le hemos transferido calor (energía térmica) al sistema: Q>0 b) y c) El globo se expande «contra» los alrededores y pierde energía: W<0 d) ΔU = Q + W, no coincide con Q, sino que a causa del trabajo W < 0, es menor. 21.

Imagina una filmación en la que los fragmentos de una copa de vidrio que hay en el suelo se reúnen todos y saltan a una mesa, en la que se colocan formado una copa intacta. a) ¿Sería posible ese proceso? Es decir, ¿está prohibido por la ley de conservación de la energía o alguna otra? (No olvides que los átomos y las moléculas a temperatura ambiente tienen velocidades térmicas del orden de cientos de metros por segundo.) b) ¿Cuál es la probabilidad de que se produzca este proceso? a) y b) El proceso no está prohibido, pero sí es extremadamente improbable la «conspiración» entre los átomos de todos los fragmentos por devolverlos al lugar de origen. Los 10veintitantos átomos de cada fragmento debeerían adquirir a la vez las velocidades exactas necesarias para reunirse con los demás.

22.

A veces se oye que la vida «va en contra de la entropía», ya que el estado más probable de un ser vivo –que no es más que un montón de partículas– no parece ser el estar vivo y organizado, sino convertirse en un montón de átomos y moléculas desorganizadas. Repasa el enunciado de la segunda ley para encontrar la condición que los seres vivos no cumplen. Los seres vivos no son –en absoluto– aislados, puesto que continuamente intercambiamos energía y materia con el entorno.

23.

¿Qué utilidad tienen las prendas aislantes que nos ponemos en invierno? Evitar la pérdida de energía térmica por conducción y convección a un entorno más frío.

24.

¿Por qué la temperatura del cuerpo humano ronda siempre los 37 °C y no se alcanza el equilibrio térmico con el entorno, que suele estar a una temperatura más baja? El cuerpo humano mantiene, mediante un complicado sistema «homeostático», una temperatura superior a la ambiental (normalmente) porque es óptima para las reacciones y procesos químicos en los que se basa la actividad de nuestras células.

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¿Por qué alteramos siempre la medida cuando introducimos un termómetro en un recipiente con poco líquido para conocer su temperatura? (Pista: explica cuáles son las transferencias de calor que se producen entre el propio termómetro y el líquido.) La transferencia de energía térmica entre sistema y termómetro es grande en relación a la energía del sistema en el enunciado. Si el termómetro está «más frío» (a menor temperatura) que el medio, este perderá energía, que ganará si está «más caliente» (a mayor temperatura).

26.

Para investigar la transferencia de energía a un gas encerrado en un cilindro cerrado con un pistón queremos saber lo que les ocurre a sus moléculas al comprimirlo bajando el émbolo (ver figura). a) ¿Rebotan con la misma velocidad que si el pistón estuviera quieto? b) ¿Cómo es la energía cinética de las partículas que rebotan en comparación con el caso en que el pistón está inmóvil? c) Teniendo en cuenta que todas las energías cinéticas de las partículas contribuyen a la energía total del gas, ¿qué sucede con esta última? d) Repite el ejercicio para el caso en el que el volumen del gas aumenta (el pistón sube). a), b), c) y d) Si las partículas rebotan contra un pistón que se aleja, su energía cinética disminuye en promedio, ya que le están comunicando una parte. 1 Por contra, si el pistón se acerca, las partículas rebotarán con más energía; esto es lo que ocurre con la compresión. 2 4

27.

2

¿Por qué se calientan las manos cuando las frotamos una contra la otra? Aumentamos la energía cinética de las moléculas de manera mecánica.

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SOLUCIONARIO

28.

Algunos alimentos se enfrían más rápidamente que otros cuando los retiramos del fuego. ¿Por qué? Distintas sustancias tienen diferentes conductividades térmicas. Por ejemplo, el metal la tiene muy alta y se enfría (y calienta) con mucha más rapidez que el ladrillo, que la tiene más baja.

29.

¿Por qué se mantiene fresca el agua de un botijo? En el agua no todas las moléculas tienen igual velocidad. Las más rápidas tienen más probabilidades de abandonar el líquido (evaporación) y escapar por las paredes porosas rebajando así la energía cinética media del agua. Es decir, su temperatura.

30.

¿Para qué se dejan unas juntas de dilatación en los puentes? Para evitar roturas cuando el material se caliente y se expanda.

31.

Las láminas bimetálicas están formadas por dos tiras unidas elaboradas con metales que tienen diferentes coeficientes de dilatación. Se emplean como termostatos en algunos aparatos eléctricos. Observa el dibujo y explica por qué se curva la lámina cuando aumenta la temperatura. La clave está en el diferente coeficiente de dilatación. Al calentarse, uno de los metales se expande más que el otro, pero, como están unidos, no lo pueden hacer libremente y la pieza se deforma.

32.

T = 20 °C Circuito cerrado

T = 40 °C Circuito abierto

Frotamos dos cubitos de hielo a 0 °C que están aislados. ¿Qué ocurrirá? a) No les pasa nada porque no les damos calor. b) Se funden porque el trabajo de rozamiento se convierte en calor. c) Aumenta su temperatura. La fricción aumenta la energía cinética media de las moléculas, pero como es una temperatura de cambio de fase, esa energía se «invierte» en romper los enlaces y producir el cambio de estado, no en aumentar la temperatura.

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Ponemos el termostato de un horno (al que vamos a considerar aislado) a 180 °C y lo dejamos conectado un buen rato, hasta que en su interior se alcance el equilibrio térmico: a) ¿A qué temperatura está la bandeja metálica del horno? ¿Y el aire del interior del horno? b) ¿Por qué podemos abrir la puerta y meter la mano en el aire caliente unos segundos sin consecuencias, pero si tocamos la bandeja metálica sí que nos quemaremos? Tanto el aire como la bandeja alcanzan la misma temperatura si les damos tiempo, pero la transmisión de energía es mucho más difícil desde el aire (apenas hay conducción, por ejemplo) que desde el metal de la bandeja (muy buen conductor).

34.

¿Por qué se calienta la bomba cuando inflamos un balón o un neumático? Porque en la compresión (ver cuestión 26) aumenta la energía cinética media de las moléculas al chocar contra el pistón.

35.

Lo mismo que el hielo necesita una aportación de 334 kJ por cada kg para fundirse a 0 °C (hay que romper los enlaces que hay entre sus moléculas), el agua líquida requiere 2 260 kJ/kg para pasar a vapor a la temperatura de 100 °C. ¿Qué tiene esto que ver con que sintamos frío en la piel al salir del agua aunque sea un día caluroso, especialmente si hay viento? Pista: ¿qué le sucede al agua en la piel? ¿Por qué con el alcohol, que se evapora más fácilmente que el agua, ese enfriamiento es aún más notable? En la evaporación, que no es lo mismo que la ebullición, aunque en ambas haya un paso de moléculas en la fase líquida a la fase vapor, las moléculas con mayor energía cinética abandonan el líquido (y el aire favorece el desequilibrio impidiendo que puedan volver a él) rebajando la energía cinética media de las moléculas que quedan. Esto es más notable en el alcochol, cuyas moléculas necesitan menos energía para pasar a la fase vapor.

36.

A veces se puede considerar que una masa de aire seco y caliente casi no se mezcla con el aire de su entorno, como si estuviera encerrada en una bolsa y, como consecuencia, intercambia muy poca energía con sus alrededores. Al ir subiendo se encuentra con que la presión atmosférica disminuye. a) ¿Qué sucede con el volumen de la masa al subir? b) ¿Y con su temperatura? Es la llamada expansión «adiabática».El aire se expande, pues la presión «externa» va disminuyendo, y, como apenas puede intercambiar energía con el entorno, también se enfría (la energía cinética media baja).

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SOLUCIONARIO

37.

Tenemos un sistema termodinámico sencillo (de los que se pueden describir mediante la presión, el volumen, la temperatura y la cantidad de sustancia) cuyo volumen no puede variar o puede hacerlo solo de manera insignificante. a) ¿Qué dicen los principios de la termodinámica sobre las variaciones de su energía interna? ¿A qué se pueden deber? b) Y entonces, ¿cómo puede cambiar su temperatura? a) Sabemos por los principios de la termodinámica que la energía interna solo puede variar en forma de trabajo o de calor: ΔU = Q + W. b) Como la temperatura es una medida de la energía cinética media, estos dos únicos modos de transferencia de energía son los únicos que pueden hacer variar la temperatura.

38.

Relaciona con el segundo principio de la termodinámica. a) b) c) d)

Entropía. Desorden. Rendimiento de una máquina térmica. Flecha del tiempo. El segundo principio establece que la entropía de un sistema aislado no puede disminuir. A su vez, la entropía es una medida del desorden. Este desorden y las probabilidades asociadas son el fundamento de la irreversibilidad y la flecha del tiempo. Por otro lado, el segundo principio limita el rendimiento de una máquina térmica.

39.

Contesta: a) ¿La entropía de cualquier sistema siempre aumenta? Pon ejemplos para apoyar tu respuesta. b) Explica la frase: «Los sistemas físicos tienden a evolucionar hacia estados con más desorden». a) La entropía de un sistema en equilibrio permanece constante y si el sistema no es aislado, incluso puede disminuir (a costa de la entropía de otra parte del universo). Así, la entropía de los seres vivos puede disminuir creando mucha más entropía a su alredecor. b) Los estados más desordenados de un sistema son más numerosos y, por tanto, más probables que los ordenados. Por eso, el sentido natural hacia los procesos más probables lo es también hacia los estados más desordenados.

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Temperatura

La siguiente gráfica representa el calentamiento de una sustancia, inicialmente en estado sólido, hasta que alcanza el estado gaseoso y se convierte en vapor. El foco calorífico proporciona calor a un ritmo constante.

4

3 2 1

a) ¿Qué tramos de la gráfica corresponden a los cambios de estado?

Tiempo

b) ¿En qué estado es mayor el calor específico de la sustancia, en estado sólido o en estado líquido? c) ¿Cómo lo sabes? a) Representan cambios de estados aquellos tramos horizontales (calentamiento sin cambio de temperatura), ya que en ese caso, la energía suministrada al sistema no va a aumentar su energía cinética, sino a romper enlaces: 2 → transición sólido-líquido 4 → transición líquido-vapor

b) Estamos proporcionando calor a un ritmo constante, pero la pendiente del líquido 3 es mayor que la del sólido 1 . Si nos fijamos en la ecuación:

Q = c ⋅ m ⋅ ΔT y dividimos por el tiempo que se está calentando, Δt: Q ΔT = c ⋅m ⋅ Δt Δt ↓ ↓ Ritmo de aporte de energía (J/s)

⇒

Ritmo de variación de la temperatura («velocidad de calentamiento») pendiente de la gráfica T-t

Como el miembro izquierdo es, según el enunciado, constante, en 1 y 3 , cuanto mayor sea la pendiente (ΔT/Δt ), menor será c para compensar. Así pues: ΔT Δt

> líquido

ΔT Δt

→ clíquido < c sólido sólido

El calor específico del líquido es menor que el del sólido; con el mismo «ritmo de aporte de calor», el líquido se calienta más rápido que el sólido.

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SOLUCIONARIO

41.

Temperatura Observa la gráfica que representa el equilibrio térmico de dos cuerpos de la misma masa: a) ¿Se han puesto en contacto sustancias diferentes o sustancias de la misma naturaleza? Razona la respuesta. b) Elabora otra gráfica análoga que muestre el equilibrio térmico alcanzado cuando ponemos en contacto 5 litros de agua a 50 °C con 5 litros de agua a 40 °C. ¿Es simétrica la gráfica?

Tiempo

a) La gráfica es simétrica respecto de la temperatura de equilibrio. Una de las maneras de conseguirlo es partir de dos cantidades iguales (misma masa m) de la misma sustancia (igual c), lo que asegura que la variación de temperatura, ΔT, será igual para ambas en módulo (para una ΔT > 0 y para la otra ΔT < 0, pero con igual módulo. b) Sí, la gráfica ha de ser simétrica: ⏐Q1⏐ = ⏐Q2⏐ → → c1m1 ⋅ (tF − t 01) = −c2m2 ⋅ (tF − t 02) Si c1 = c2 y m1 = m2: c1m 1 ⋅ (tF − t 01) = −c2m 2 ⋅ (tF − t 02) → t F − t 01 = − t F − t 02 → t F = 42.

t 01 + t 02 ; la media de t 01 y t 02 2

Se vierten 2 L de agua a 80 °C en una cacerola de acero de 0,5 kg inicialmente a 20 °C. a) ¿Qué transferencias de calor se producen? Explícalo con un esquema. b) ¿Cuál es la temperatura final del agua? c) ¿Y la de la cacerola? Datos: • cagua = 4180 J/(kg ⋅ K). • cacero = 450 J/(kg ⋅ K). Si suponemos (lo que en este caso es falso, pero puede ser más aproximado si se tapa la cacerola...) que toda la energía térmica que pierde el agua va a parar a la cacerola y que el sistema agua + cacerola es aislado, entonces: Q agua = −Q cacerola → cama ⋅ (t F − t 01) = ccmc ⋅ (t 0c − t F) Y la temperatura final de equilibrio sería: tF =

c ama ⋅ t 0 a + c cmc ⋅ t 0 c c ama + c cmc

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13 Calor y energía 4180 tF =

J J ⋅ 0,5 kg ⋅ 20 °C ⋅ 2 kg ⋅ 80 °C + 450 kg ⋅ °C kg ⋅ °C J J ⋅ 0,5 kg 4180 ⋅ 2 kg + 450 kg ⋅ °C kg ⋅ °C

Q

= 78 °C

Q

Ideal

Real

Tanto para el agua (que se enfría a 2 °C) como para la cacerola (que se calienta a 58 °C). 43.

Un radiador de aluminio es más eficiente que un radiador de chapa de acero. Explícalo. Datos: • cAl = 900 J/(kg ⋅ K). • cacero = 460 J/(kg ⋅ K). El objetivo del radiador es transferir energía térmica al exterior. Si el mecanismo principal de transmisión de calor al aire fuese la conducción, el parámetro relevante sería el calor específico, c (no está claro que sea así; los «radiadores» probablemente se basan más en la emisión de radiación infrarroja y el aire es un mal conductor). Eso sí, en la transferencia de energía térmica del fluido del radiador (generalmente agua, pero a veces aceite) a su cuerpo metálico sí domina la conducción. En tal caso, Q = cm ⋅ ΔT, significa que a iguales m y ΔT (masa del radiador y diferencia de temperatura con el entorno), cuanto mayor es c, mayor es Q. Es decir, el aluminio (cAl > cacero) da lugar a un mayor flujo de energía térmica Q.

44.

Calcula: a) El hielo a −5 5 °C que podremos fundir a partir de 20 L de agua a 40 °C. b) El hielo que podremos fundir si usamos agua a 80 °C. Para fundir todo el hielo posible lo más favorable es emplear la energía térmica del agua para fundir el hielo y dejarlo justo a 0 °C y no a más temperatura (es decir, vamos a suponer que el estado final de equilibrio es agua líquida a 0 °C. Una masa de agua ma a temperatura inicial T0a cuya temperatura baja hasta Teq, pierde una energía térmica

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SOLUCIONARIO

Q a = cama ⋅ (Teq − T0a) < 0 Por otro lado, si toda esa energía térmica la absorbe una masa de hielo mh a temperatura T0h, esta se calentará primero (en este caso desde T0h = −5 °C) hasta la temperatura de fusión (Tfh = 0 °C) con la absorción de: Q hc = chmh ⋅ (Tfh − T0h) > 0 y después se fundirá absorbiendo la energía térmica Q hf = mhLfh > 0 Entonces se cumple, idealmente (es decir, suponiendo que el sistema hielo + agua es aislado, de modo que ni hay pérdidas ni entra energía…): ⏐Q a⏐ = Q hc + Q hf Energía cedida por el agua = energía absorbida por el hielo. Ahora ya podemos manipular esta expresión para sacar la masa de hielo que se puede fundir, mh: −cama ⋅ (Teq − T0a) = chmh ⋅ (Tfh − T0h) + mhLfh → → cama ⋅ (T0a − Teq) = mh ⋅ [ch(Tfh − T0h) + Lfh] → c ama ⋅ (T0a − Teq ) mh = ch ⋅ (Tfh − T0h ) + Lfh Como resulta que la temperatura final del hielo (Tfh = 0 °C) es también la temperatura final de equilibrio (Teq), finalmente tenemos: c ama ⋅ (T0a − Teq ) mh = ch ⋅ (Teq − T0h ) + Lfh a) Si ma = 20 kg (pues el volumen de agua que nos dan 20 L, tiene esa masa), T0a = 40 °C, T0h = −5 °C, Teq = 0 °C, ca ≈ 4180 J/(kg ⋅ °C), ch ≈ 2090 J/(kg ⋅ °C) y Lfh = 33 4000 J/kg, resulta: mh ≈ 9,7 kg b) Ahora solo cambia T0a = 80 °C y entonces: mh ≈ 19,4 kg 45.

Mezclamos 1 kg de hielo a −1 10 °C de temperatura con 5 L de agua a 40 °C. a) ¿En qué estado físico se encontrará la mezcla una vez alcanzado el equilibrio térmico? b) Calcula el calor cedido por el agua. c) Calcula el calor absorbido por el hielo. Podemos intuir un estado final de equilibrio hielo-agua a 0 °C (pero con cantidades relativas de las iniciales) o bien uno en el que se funde todo el hielo, sin que se pueda descartar, sin más, la posibilidad de que el agua caliente solo logre calentar el hielo sin fundirlo. Veamos. Para llegar a 0 °C el hielo «absorberá»:

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13 Calor y energía ⏐Q n⏐ = chmh ⋅ ⏐ΔTh⏐ = 2090

J kg ⋅ °C

⋅ 1 kg ⋅ 10 °C = 2 090 J

Mientras el agua cederá: ⏐Q a⏐ = cama ⋅ ⏐ΔTa⏐ = 4180

J

⋅ 5 kg ⋅ 40 °C = 836 000 J kg ⋅ °C Por otro lado, para fundir el hielo hacen falta: ⏐Q fh⏐ = mh ⋅ LFH = 1 kg ⋅ 334 000 J/kg En resumen, con 2090 J + 334 000 J se transforma todo el hielo

1442443 = 336 090 J

en agua líquida a 0 °C. Como el agua habría cedido 836 000 J para llegar a 0 °C, eso quiere decir que no los alcanza: el estado final es que todo el hielo se funde y tenemos solo agua a más de 0 °C y menos de 40 °C, digamos a TF. Entonces: BALANCE ⏐Q h⏐ + ⏐Q f h⏐ + camh ⋅ (TF − t 0h) = −cama ⋅ (TF − T0a) 123 123 144424443 144424443 ENERGÉTICO: calentar fundir calentar el hielo enfriar el agua el hielo a 0 °C

el hielo

fundido hasta TF desde 0 °C

hasta TF «calor cedido por el agua»

Ahora hay que despejar TF: c m T + c amaT0a − ⏐Q h⏐− ⏐Qfh⏐ TF = a h 0h = c ama + c amh 836 000 − 336 090 = 20 °C 25 080 El agua cede 418 000 J, que son los mismos que el hielo absorbe. =

46.

Comprimimos a temperatura constante y presión constante (la atmosférica normal, Patm = 101 325 Pa = 1 atm) una jeringuilla llena de aire (6 cm3 ) hasta que su volumen se reduce a la mitad. Si lo hacemos de modo que la única transferencia sea en forma de trabajo, ¿cuánto ha cambiado la energía del aire de la jeringuilla? La primera ley es: ΔU = Q + W. Pero en este caso Q = 0. 6 cm3 = 0,61 J ΔU = W = −p ⋅ΔV = + 101 325 Pa ⋅ cm3 ↓ 1000 000 3 compresión adiabática m Esta energía que gana el aire aumenta su temperatura.

47.

Un gas se calienta transfiriéndole 1 600 kcal y un pistón lo comprime realizando un trabajo de 750 kJ. a) ¿Cuál es la variación de energía interna? b) Interpreta su signo.

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SOLUCIONARIO

⎪⎫ entran ⎬ al ⎪⎭⎪ sistema ΔU = 6699 + 750 + 7450 kJ de aumento de energía interna (eso significa el signo +).

La primera ley es: ΔU = Q + W Q = +1600 kcal = 6699 kJ W = +750 kJ

48.

Calentamos el gas que hay en un cilindro con 4 500 kJ. El volumen del gas aumenta de 3 a 5 L contra la presión atmosférica (1 atm = 101 325 Pa). a) ¿Cuál será la variación de energía interna? b) Haz un dibujo que explique cómo ha variado la energía cinética media de las partículas del gas. ΔU = Q + W, dice la primera ley, pero Q = + 4500 kJ. Q = + 4500 kJ W = −p ⋅ ΔV = −101 325 Pa ⋅ (5 − 3) L −203 J → La expansión hace disminuir la energía interna del gas

(5 − 3) L = 2L = 0,002 m3 Por tanto: ΔU = 4500 J − 203 J = 4297 J El signo «+» significa un aumento de energía interna. 49.

Al quemar un mol de metano en un cilindro se produce en él una variación de energía interna de −8 892,4 kJ. Si esto se utiliza a su vez para producir un trabajo de 600 kJ por expansión de la mezcla de combustión, ¿cuánto calor desprendió el sistema? Según la primera ley de la termodinámica: ΔU = Q + W La disminución de energía interna de 892,4 kJ (ΔU = −892,4 kJ) tiene dos fuentes; un desprendimiento de energía térmica Q < 0, y una expansión que supone una «pérdida» de energía W en forma de trabajo (W = −600 kJ). Q = ΔU − W = 892,4 − (−600 kJ) = −292,4 kJ

50.

El balance energético terrestre es +1 1 W/m2, es decir, en estos momentos, la Tierra devuelve al espacio 1 W/m2 menos de lo que recibe del Sol, lo que, evidentemente, da lugar a un calentamiento global de la Tierra. Si volvemos a considerar al Mediterráneo como un sistema cerrado, ¿cuánto aumentará en un año la temperatura de ese mar a causa de ese vatio por metro cuadrado? Datos: • Área del mar Mediterráneo: S ≈ 2,5 ⋅ 106 km2. • Profundidad media: h ≈ 1,5 km.

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13 Calor y energía • Densidad del agua del mar: dAM = 1,03 g/mL. • ce (agua de mar): cAM 4 kJ/(kg · K). • Temperatura del agua del mar: TAM = 20 °C. El mar Mediterráneo recibe del Sol, en promedio, 1 W/m2, es decir, en toda su área una potencia: W P=1⋅ ⋅ 2,5 ⋅ 1012 m2 2,5 ⋅ 1012 W m2 En un año hay 8 766 horas, y la energía recibida es: 3600 s E = 2,5 ⋅ 1012 W ⋅ 8766 h ⋅ 1h Pero no toda esa energía será absorbida. En ausencia de más datos sobre el porcentaje reflejado digamos que la energía efectivamente absorbida por el mar es del orden de: Eef ∼ 1019 J. ¿Cuánto calentará eso el agua del Mediterráneo? E ef Eef = ca ⋅ mM ⋅ ΔT → ΔT = c amM ↓ ↓ Calor específico del agua del Mediterráneo

Masa de agua del Mediterráneo

Como ca 4 kJ/kg ⋅ °C: m M = S ⋅ h ⋅ dAM (densidad media) 123 volumen = área ⋅ profundidad media

mM = 2,5 ⋅ 1012 m2 ⋅ 1 500 m ⋅ 1000 J

kg m3

≈ 4 ⋅ 1018 kg

Y con todo esto: 1019 J

ΔT ∼

0, 0006 °C por año

J ⋅ 4 ⋅ 1018 kg 4 ⋅ 10 kg ⋅ °C 3

51.

¿Qué significa que el coeficiente de dilatación de un gas vale 1/273 °C−11? Que el coeficiente de dilatación de un gas valga: 1 γ= (°C)−1 273 significa, teniendo en cuenta que para el volumen se cumple V0 = V0 (1 + γΔT), que por cada °C de cambio de temperatura, al volumen inicial se le suma (si T sube) o se le resta (si T baja) 1 una fracción de ese volumen inicial. 273 O de otra manera, por cada grado de variación de temperatura, el volumen queda multiplicado (si T sube) o dividido (si T baja) 1 por un factor 1 + , aproximadamente 1,004. 273

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Electricidad

PRESENTACIÓN La última unidad del libro se dedica al estudio de los fenómenos eléctricos. Dada su situación, resultará más fácil aplicar los conceptos que los alumnos han adquirido sobre la teoría cinética de la materia o la conservación de la energía. No debemos entender el estudio de la electricidad como algo alejado de estos dos aspectos fundamentales de la física.

OBJETIVOS • Adquirir unos conocimientos básicos sobre la historia de la electricidad y de los conocimientos que las personas hemos tenido sobre los fenómenos eléctricos. • Saber calcular la fuerza de atracción o de repulsión entre cargas eléctricas. • Comprender cuál es la relación entre la intensidad del campo eléctrico y la fuerza ejercida sobre una partícula cargada introducida en dicho campo. • Aprender a resolver problemas con circuitos eléctricos teniendo en cuenta la ley de Ohm y la ley de la conservación de la energía. • Ser conscientes de la importancia de la electricidad en nuestros días. Verdaderamente podríamos decir que sin la electricidad nuestro mundo sería muy diferente. • Saber cuáles son las magnitudes de las que depende el consumo energético de un aparato eléctrico.

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14 Electricidad CONTENIDOS Conceptos

• La electricidad en la Antigüedad y en la Edad Media. La electricidad moderna. • La carga eléctrica. La carga es una propiedad de las partículas. Electrización. • Fuerzas entre cargas eléctricas: ley de Coulomb. Constantes y unidades. • Intercambio de cargas eléctricas en la Tierra. • Aplicación de la ley de Coulomb a cuerpos extensos. • Comparación entre la fuerza electrostática y la fuerza de gravedad. • Campo y potencial eléctricos. El campo eléctrico. Representación de campos eléctricos. • La energía potencial electrostática. Potencial electrostático. • La corriente eléctrica y la ley de Ohm. • La intensidad de corriente. La ley de Ohm. • La resistencia eléctrica. Resistividad. Conductores, semiconductores y aislantes. • Circuitos eléctricos. • Transformaciones energéticas en un circuito. Efecto Joule. • La pila voltaica. Generadores. Las pilas. • Generadores y fuerza electromotriz. • Ley de Ohm generalizada.

Procedimientos, • Resolver problemas numéricos relacionados con las fuerzas eléctricas, el campo eléctrico o el potencial eléctrico. destrezas y habilidades • Analizar experiencias y obtener conclusiones a partir de los fenómenos observados durante el desarrollo de las mismas. • Elaborar esquemas de circuitos eléctricos empleando la simbología de manera correcta. • Resolver problemas sobre circuitos eléctricos a partir de un esquema de los mismos. • Dibujar las líneas que describen los campos eléctricos. • Utilizar esquemas a la hora de resolver problemas donde es necesario aplicar la ley de Coulomb. • Utilizar adecuadamente algunos aparatos de medida relacionados con la electricidad: amperímetro, voltímetro, óhmetro y polímetro.

Actitudes

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• Fomentar hábitos de ahorro de la energía eléctrica. • Valorar adecuadamente la importancia de los avances producidos en el campo de la electricidad. • Valorar el trabajo de todos los científicos que han hecho posible que dispongamos en la actualidad de un conocimiento tan completo sobre los fenómenos eléctricos. • Adoptar hábitos seguros a la hora de manipular aparatos eléctricos.

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EDUCACIÓN EN VALORES 1. Educación para la salud El manejo de aparatos eléctricos debe ser llevado a cabo teniendo en cuenta una serie de normas, tal y como se cita en esta unidad. Los alumnos jóvenes son valientes, pero hay que resaltar que no hay que confundir valentía con idiotez. Los circuitos eléctricos son peligrosos (salvo aquellos como muchos de los manejados en el laboratorio en el que el generador es una simple pila de unos pocos voltios), por lo que debemos desconectar la corriente antes de realizar manipulaciones en un aparato o en las instalaciones. Es importante no cometer imprudencias y evitar que otros las cometan, señalizando adecuadamente los peligros.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN 1. Calcular la fuerza de atracción o de repulsión entre cargas eléctricas. 2. Dibujar las líneas de fuerza del campo eléctrico creado por una o varias cargas. 3. Calcular la intensidad del campo eléctrico o el potencial eléctrico debidos a la presencia de una o varias cargas eléctricas del mismo tipo o de tipos distintos. 4. Aplicar la teoría cinética y la ley de la conservación de la energía para explicar algunos de los fenómenos observados en los circuitos eléctricos. 5. Resolver problemas con circuitos en los que aparecen varias resistencias y/o generadores acoplados en serie o en paralelo. 6. Tomar medidas en circuitos eléctricos con la ayuda de un polímetro. 7. Identificar algunos materiales buenos conductores de la corriente eléctrica.

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14 Electricidad 1.

Se cargan dos pequeñas esferas con cargas q1 y q2 de igual signo y se mide la fuerza de repulsión entre ellas para diferentes distancias obteniéndose los siguientes resultados: r (cm)

10

20

30

40

50

F (N)

100

25

11,1

6,25

4

Manteniendo ahora fija la distancia, se mide la fuerza al variar la carga de una de ellas o de ambas: q1 ⋅ q2 (C2)

4

2

1

0,5

0,25

F (N)

100

50

25

12,5

6,25

a) Representa gráficamente los datos de ambas tablas. ¿Qué conclusión obtienes? b) A la vista de los resultados anteriores, demuestra que se cumple la ley de Coulomb. a) Respuesta gráfica. F (N)

F (N)

100

100

75

75

50

50

25

25

0

0

10

20

30

40

50 r (cm)

0

q1 ⋅ q2 (C2) 0

1

2

3

4

b) En la primera tabla se ve que la fuerza varía con el inverso del cuadrado de la distancia. Al duplicarse, triplicarse, cuadruplicarse, etc., la distancia, la fuerza se reduce a la cuarta, novena, décimosexta parte… En la segunda tabla se ve que la fuerza es proporcional al producto de las cargas. Si el producto q1 ⋅ q2 se reduce a la mitad, cuarta parte, etc., la fuerza se hace la mitad, cuarta parte, etc. 2.

Dos protones se repelen con una fuerza de 5,8 ⋅ 10−119 N cuando están separados por una distancia de 2 ⋅ 10−55 cm. Calcula el valor de la carga de cada protón. F =K

q2 →q = d2

= 2 ⋅ 10−5 ⋅

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F ⋅ d2 =d⋅ K

F = K

5, 8 ⋅ 10−19 = 1,6 ⋅ 10−19 C 9 ⋅ 10 9

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SOLUCIONARIO

3.

Dos esferas cargadas se atraen con una fuerza determinada. a) ¿Cómo se ve afectado el valor de la fuerza si triplicamos el valor de la carga de cada esfera? b) ¿Y si la reducimos a la tercera parte? a) Si se triplica el valor de la carga de cada esfera la fuerza se multiplica por 9. F =K

3q ⋅ 3q' q ⋅ q' q ⋅ q' ; F' = K = 9K 2 2 d d d2

→ F' = −9F

b) Se divide por 9. q q' ⋅ 1 q ⋅ q' q ⋅ q' F 3 3 → F =K ⋅ F ' = K ⋅ = ⋅K ⋅ → F' = 2 2 2 9 9 d d d 4.

¿Qué carga adquiriría, si fuese posible, un mol de átomos de sodio (solo 23 g de sodio) si se arranca un electrón de cada átomo? (Recuerda que 1 mol de sodio contiene 6,022 ⋅ 1023 átomos de sodio; q e = 1,6 ⋅ 10−119 C.)

q = 6,022 ⋅ 1023 e/mol ⋅ 1,6 ⋅ 10−19 C/e = 96 352 C/mol 5.

Calcula la carga supuesta igual que deberían tener la Tierra y la Luna para que la fuerza de repulsión eléctrica entre ellas igualase a la fuerza de atracción gravitatoria. Datos: M T = 6 ⋅ 1024 kg; M L = 7,4 ⋅ 1022 kg; d T-L = 384 400 km.

6.

Fg = G

M ⋅m 6 ⋅ 1024 ⋅ 7, 4 ⋅ 1022 = 6,67 ⋅ 10−11 ⋅ = 2 ⋅ 1020 N 2 d 384 400 000

Fe = K

Q2 →Q =d⋅ d2

2 ⋅ 1020 = 5,7 ⋅ 1013 C 9 ⋅ 10 9

¿A qué distancia deben situarse dos cargas iguales de 10 μC C para que la energía potencial eléctrica del sistema sea de 10 J? EP = K

7.

Fe = 384 400 000 ⋅ K

9 ⋅ 10 9 ⋅ (10−5)2 q2 q2 →d =K = = 0, 09 m 10 d EP

A cierta distancia de una carga puntual la intensidad del campo eléctrico es 3 N/C y el potencial es de 6 V. Calcula el valor de la carga y la distancia hasta ella. q q d E =K 2 V =K d d q

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14 Electricidad V = E

q =

8.

K K

q d q

=d →d =

d2

V ⋅d = K

6 V ⋅ 2m N ⋅ m2 9 ⋅ 10 9 C2

V 9V = = 0,2 A R 45 Ω

Calcula la resistencia de una barra de plomo de 15 cm de longitud y 5 mm de diámetro. Dato: ρPb = 2,2 ⋅ 10−55 Ω ⋅ cm. R = ρPb ⋅

11.

V 40 V = = 133, 3 Ω I 0, 3 A

Si conectamos una resistencia de 45 Ω a una pila de 9 V, ¿cuánta intensidad circula por la resistencia? De la ley de Ohm: I =

10.

= 1, 3 ⋅ 10−9 C

Por un conductor circula una intensidad de 0,3 A y la diferencia de potencial entre sus extremos es de 40 V. ¿Cuál es su resistencia? De la ley de Ohm: R =

9.

6V = 2m 3 N/C

L 15 cm = 2,2 ⋅ 10−5 Ω ⋅ cm ⋅ =4Ω S π ⋅ (2,5 ⋅ 10−1)2 cm2

En un circuito dos bombillas están montadas de tal forma que al fundirse una se apaga la otra. a) Di si se trata de un montaje en serie o en paralelo. b) ¿Qué inconvenientes tiene este montaje? ¿Se te ocurre algún circuito donde puede resultar útil?

a) Es un montaje en serie. b) El principal inconveniente es que al fundirse una se interrumpe la corriente y se apagan todas. Este tipo de montaje en serie se suele utilizar en el alumbrado de árboles de Navidad. Se asocian muchas pequeñas bombillas en serie de forma que la resistencia total sea relativamente alta y la intensidad que circule por ellas, baja.

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SOLUCIONARIO

12.

Si se tienen dos bombillas conectadas a un circuito, ¿cuándo dan más luz, cuando se conectan en serie o cuando se conectan en paralelo? (Ayuda: la disposición que produce mayor iluminación es aquella que hace que la intensidad de corriente sea mayor.) Cuando se conectan en paralelo. Vamos a verlo de forma fácil suponiendo dos bombillas iguales. V

Serie:

I =

R

R

Paralelo:

I1↓

→ I1

V

I I I R 2 = + = → RT = RT R R R 2

R

I =

V V V = =2 R RT R 2

I1 = I2 = → I2

V 2R

I V = R 2

R

V , que es doble que la que R pasa por cada una de las bombillas en serie. Por cada rama pasará una corriente

13.

Calcula la intensidad que circulará por cada resistencia en los siguientes circuitos. La resistencia equivalente a dos iguales en paralelo es la mitad de una de ellas. 9V

a)

9V

a) 20 Ω

20 Ω

10 Ω

⇒

10 Ω ⇒

10 Ω

10 Ω

10 Ω

9V

⇒

30 Ω

I =

V 9V = = 0, 3 A R 30 Ω

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14 Electricidad 9 V

b)

9V

b) 20 Ω

10 Ω

20 Ω

⇒

10 Ω

10 Ω

5Ω ⇒

9V

⇒

I =

15 Ω

V 9V = = 0,6 A R 15 Ω

4,5 V

c)

4,5 V

c) 10 Ω

10 Ω

⇒

30 Ω

⇒

15 Ω

30 Ω 4,5 V

⇒

14.

I =

25 Ω

V 4,5 V = = 0,18 A R 25 Ω

Una resistencia de 3 Ω es capaz de disipar una potencia máxima de 15 W. Calcula la máxima diferencia de potencial a la que puede conectarse.

P = I 2R → I =

P = R

15 W = 2,23 A 3Ω

De la ley de Ohm: V = IR = 2,23 A ⋅ 3 Ω = 6,7 V 15.

En un anuncio de un televisor se indica que solo cuesta verlo 0,81 € al mes (3 horas diarias). Dato: 1 kWh → 0,1 €.. a) Calcula la potencia eléctrica del aparato. b) Halla la intensidad de corriente que circula por él cuando se conecta a la red eléctrica convencional (230 V). a) 3 ⋅ 30 = 90 horas al mes. kWh consumidos al mes =

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0, 81 C = 8,1 kWh 0,1 C / kWh

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SOLUCIONARIO

P =

8,1 kW h 90 h

b) P = V I → I =

16.

= 0, 09 kW = 90 W P 90 W = = 0, 4 A V 230 V

¿Por qué muchos aparatos necesitan varios generadores colocados en serie para funcionar (mandos a distancia, juguetes, etc.)? Porque necesitan una corriente superior a la que obtendría de una sola pila (generador). Varios generadores colocados en serie proporcionan una intensidad ΣV que viene dada por: I = , que es superior a la de uno solo. R

17.

Calcula el voltaje proporcionado por cada generador (todos los generadores son iguales) para que la intensidad de corriente en cada resistencia de la figura sea de 480 mA.

25 Ω

25 Ω

De la ley de Ohm: VT → V T = IR = 0,48 A ⋅ 50 Ω = 24 V R V 24 V V T = ΣVi = 24 V (hay cuatro pilas en serie) → V = T = =6V 4 4 I =

18.

¿Qué ventaja tiene colocar los generadores en paralelo si no aumenta la diferencia de potencial? La ventaja es el tiempo que suministran energía (tiempo hasta que se consumen). El tiempo se multiplica por el número de generadores.

19.

Un circuito consta de un generador de 12 V y resistencia interna de 1 Ω y dos resistencias de 20 y 30 Ω conectadas en serie. a) Calcula la diferencia de potencial entre los extremos de las resistencias. b) Comprueba que la suma es inferior a la fem ε del generador. De la ley de Ohm: ΔV = IR → I =

12 V

r=1Ω R1 = 20 Ω

R2 = 30 Ω

R = R1 + R2 + r = = 20 Ω + 30 Ω + 1 Ω = 51 Ω

V 12 V = = 0,23 A R 51 Ω

V20 Ω = IR1 = 0,23 A ⋅ 20 Ω = 4,6 V V30 Ω = IR2 = 0,23 A ⋅ 30 Ω = 6,9 V V20 Ω + V30 Ω = 11,5 V < 12 V = fem

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14 Electricidad 20.

Contesta razonadamente a las siguientes preguntas: a) ¿Qué son las cargas eléctricas? b) ¿Cómo podemos detectar que un objeto está cargado? c) ¿Cómo pueden acumularse cargas eléctricas en un objeto y luego pasarlas a otros objetos? d) ¿Circulan las cargas con la misma facilidad por todos los materiales? e) ¿Cuántos tipos de carga hay? f ) ¿Cómo actúan unas cargas sobre otras? a) La carga eléctrica es una propiedad de la materia. b) Poniendo otra carga en sus proximidades y viendo si se ejercen fuerzas sobre ella. En caso afirmativo, el objeto está cargado. c) Frotándolo con otro. Uno se carga positivamente, y el otro, negativamente. Una vez cargado, si se pone en contacto con otros (por ejemplo, la Tierra), se descarga al transferirse carga de uno al otro. d) No. Circulan bien por los conductores y mal por los dieléctricos. e) Dos. + y − . f) Las del mismo signo se atraen y las de distinto signo se repelen.

21.

¿Qué quiere decir que la fuerza entre dos partículas cargadas es directamente proporcional al valor de cada una de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa? Pon otros ejemplos de proporcionalidad directa e inversa que conozcas. Que al aumentar (duplicarse, triplicarse…) alguna de las cargas la fuerza se duplica, triplica, etc. Por lo que respecta a la distancia, al duplicarse, triplicarse la distancia, la fuerza se hace la cuarta, la novena… parte, respectivamente.

22.

¿En cuánto deberíamos variar la distancia entre dos cargas si al hacer una de ellas cuatro veces más grande queremos que la fuerza siga siendo la misma? F =K

q1 ⋅ q2 . Si q1 → 4q1 y d → 2d: d2 F' = K

4q1 ⋅ q2 4 q1 ⋅ q2 =K =F 2 (2d ) 4d 2

Al duplicar la distancia la fuerza queda igual.

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SOLUCIONARIO

23.

Tenemos una carga q que se encuentra en el punto medio entre dos cargas Q iguales y del mismo signo. a) ¿Qué fuerza se ejerce sobre la carga q ? b) ¿Depende esta fuerza del signo de q ? a) La fuerza sobre q es cero. Cada Q ejerce una fuerza igual y opuesta sobre q. b) No. En cualquier caso la fuerza es cero. En un caso cada Q repele a q; y en otro, la atrae con la misma fuerza.

24.

Teniendo en cuenta la definición de culombio, ¿sabrías expresar la carga de un electrón en culombios? 1 C es la carga de 6,24 ⋅ 1018 electrones. e− =

25.

1 = 1,6 ⋅ 10−19 C/e 6,24 ⋅ 1018 e/C

Imagina: ¿qué pasaría si una noche, mientras dormimos, todas las cargas positivas se convirtieran instantáneamente en negativas y, a la vez, todas las negativas se convierten en positivas sin que hubiera más cambios? No notaríamos ningún cambio.

26.

Cuando se lava un petrolero con chorros de agua a gran presión hay que ser especialmente cuidadoso para que no se produzca una explosión de los vapores del combustible. Basándote en todo lo que hemos estudiado en este tema, intenta explicar por qué puede producirse la explosión, así como las medidas que deben tomarse para evitarla. Recuerda que los cuerpos se cargan al frotarlos. Hay que ser cuidadosos para que no se produzcan chispas como consecuencia de las cargas que se forman por rozamiento de los chorros de agua con las paredes de los tanques, que inflamarán los vapores de combustible.

27.

Se sabe que en las proximidades de la superficie de la Tierra hay un campo eléctrico de valor 100 N/C que apunta hacia la superficie. Entonces, ¿la Tierra tiene carga eléctrica positiva o negativa? El campo eléctrico (Eជ) apunta de las cargas + a las − ; según esto, la carga eléctrica de la Tierra es negativa.

Eជ

+

−

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14 Electricidad 28.

Dos partículas A y B se aproximan como indica la figura. ជ v2

ជ v1

a) Si suponemos que A y B son dos cargas eléctricas, ¿puede decirse algo sobre el signo de sus cargas? b) ¿Qué otros tipos de fuerzas entre partículas o cuerpos conoces además de las eléctricas? a) Si comienzan a moverse acercándose, es porque tienen signos opuestos. b) Fuerzas gravitotorias, magnéticas (en realidad electromagnéticas), nuclear, etc. 29.

Contesta razonadamente: ¿cómo están colocadas las bombillas en una vivienda: en serie o en paralelo? En paralelo. Si estuviesen en serie, al fundirse una se apagarían (no funcionarían) todas las demás porque interrumpiría la corriente que pasa por ellas.

30.

Se dispone de dos pilas iguales y se las quiere utilizar en un circuito. Como se ha visto, se pueden asociar de dos formas distintas, en serie y en paralelo. Podrías explicar la diferencia que existe entre ambas conexiones a la hora de transmitir energía a las cargas. Serie: el potencial de ambas es igual a la suma de potenciales. VT = 2 V Como el potencial (o fuerza electromatriz) es la energía por unidad de carga, a mayor potencial mayor energía y, por tanto, mayor corriente. VT 2V = R R Paralelo: el potencial de ambas es igual al de una de ellas. En este caso, la energía suministrada a las cargas es la misma que si hubiese una sola pila. La diferencia con el caso anterior es que aumenta el tiempo que se suministra dicha energía. En otras palabras, dos pilas en paralelo suministran la misma corriente que una, pero tardan el doble (aproximadamente) en consumirse. I =

I =

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V R

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SOLUCIONARIO

31.

Dibuja el esquema de un circuito formado por los siguientes elementos: • Una pila. • Una bombilla en serie con la resistencia. • Una resistencia. • Un interruptor.

32.

¿Por qué son tan gruesos los cables que conducen la corriente eléctrica desde las centrales eléctricas hasta las ciudades? Porque deben transportar intensidades muy altas, y para ello deben tener baja resistencia. l R = ρ⋅ S De la ecuación anterior se deduce que cuanto mayor es S, menor es la resistencia de un conductor.

33.

Explica brevemente de qué factores depende la resistencia de un conductor. Escribe la relación matemática de dicha dependencia en función de la conductividad. 1 l 1 l ; R = ⋅ ; σ: conductividad; σ = ρ S σ S La conductividad es la inversa de la resistividad.

R = ρ⋅

Factores de los que depende R

34.

⎪⎧⎪ ρ: resistividad depende del material: a mayor ρ, mayor R. ⎪⎪ l : longitud: a mayor longitud, mayor resistencia ⎪⎪ (proporcionalidad directa). ⎨ ⎪⎪ S : sección transversal (área): a mayor sección, menor ⎪⎪ ⎪⎪⎩ resistencia (proporcionalidad inversa).

Los faros de un automóvil, ¿están conectados en serie o en paralelo? Razona la respuesta. En paralelo; si no, al fundirse uno quedaría inutilizado el otro.

35.

Enumera algunos de los efectos producidos por la corriente eléctrica que conozcas y comenta alguna aplicación de los mismos. • Efecto térmico: estufas, calentadores... • Efecto luminoso (derivado del efecto térmico): los cuerpos calientes emiten luz a partir de determinadas temperaturas. • Efecto químico: recubrimiento de metales mediante electrolisis. • Efecto magnético: electroimanes.

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14 Electricidad 36.

En los circuitos de la figura, indica qué bombilla luce más o, lo que es lo mismo, ¿por cuál circula una intensidad de corriente mayor? 12 V

a)

1

12 V

b)

2

3

12 V

c)

4

5

6

⎪⎧⎪ V ⎪⎪I a = R ⎪⎪ ⎪⎪ V ⎨Ib = ⎪⎪ R' ⎪⎪ ⎪⎪I = V ⎪⎪ c R'' ⎩

R 2 R R'' = 3 R' =

2V R 3V → Ic = R → Ib =

Por cada rama de b) pasa una corriente

Ib V = R 2

Por cada rama de c) pasa una corriente

Ic V = R 3

Como la intensidad que atraviesa cada bombilla es la misma, todas lucen igual.

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SOLUCIONARIO

37.

Reconstruye el razonamiento y los cálculos que nos llevaron a decir que un automóvil de unos 1000 kg sometido a una fuerza constante de 9 ⋅ 109 N tardaría unos tres segundos en recorrer los aproximadamente 40 000 km de la circunferencia terrestre.

F = 9 ⋅ 109 N → a =

F 9 ⋅ 10 9 N = = 9 ⋅ 106 m/s2 m 1000 kg

El espacio recorrido en 3 s sería:

s=

1 2 1 9 ⋅ 10 9 N at = ⋅ ⋅ 9 s2 = 4,05 ⋅ 108 m = 2 2 1000 kg = 4,05 ⋅ 105 km = 40 500 km

La longitud del ecuador terrestre es de unos 40 000 km. 38.

Supón que 0,5 C de carga positiva y 0,5 C de carga negativa pasan en la misma dirección y sentido cada segundo por un punto. a) ¿Cuál es el valor de la intensidad de la corriente? b) ¿Y si el sentido de los flujos de carga es el opuesto? a) I =

qneta =0 t

S

Si nos fijamos en un punto del conductor, la carga neta que pasa por segundo es cero. b) En este caso, la corriente es de 1 A. I =

39.

Q 0,5 C + 0,5 C = =1A t 1s

En un circuito con una pila de 12 V se han montado tres resistencias en paralelo de 2 Ω,, 3 Ω y 4 Ω.. a) ¿Por cuál de ellas la intensidad es mayor? b) Haz un dibujo de dicho circuito. a)

1 1 1 1 6 + 4 + 3 −1 = + + = Ω → RT 2Ω 3Ω 4Ω 12 → RT =

12 Ω = 0, 92 Ω 13

Por tanto: I =

12 ⋅ 13 V 12 V = = A = 13 A 12 Ω RT 12 13

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14 Electricidad La intensidad de 13 A se reparte por cada rama de forma inversamente proporcional a la resistencia. Y resulta: I2Ω = 6 Ω ; I3Ω = 4 Ω ; I4Ω = 3 Ω b)

12 V

2Ω 3Ω

4Ω

40.

Contesta: a) ¿Cómo se tienen que asociar tres resistencias de 6 Ω cada una de manera que la resistencia equivalente del conjunto sea 9 Ω?? b) ¿Cuál de las tres resistencias disipa más energía? ¿Por qué? c) ¿Y para que sea de 4 Ω?? a)

6Ω 6Ω

3Ω

⇒

6Ω

⇒

9Ω

6Ω

La resistencia equivalente a las dos de 6 Ω en paralelo es de 3 Ω, que sumadas a la de 6 Ω en serie con los anteriores, da 9 Ω. b) La energía disipada en cada resistencia viene dada apor: E = I 2 Rt Como las tres resistencias son iguales, V I = disipará mayor energía aquella 18 por la que circule mayor intensidad. 6Ω I =

V 9

I =

6Ω 6Ω

Es decir, la de 6 Ω en serie.

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I =

V 18

V 9

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SOLUCIONARIO

c)

6Ω

6Ω 12 Ω

⇒ 6Ω 6Ω

1 1 1 3 −1 12 = + = Ω →R= Ω=4Ω R 6Ω 12 Ω 12 3 41.

La parte baja de una nube tormentosa almacena 20 C de carga. Si se produce un relámpago que dura 10−33 s, ¿cuál es la intensidad de la corriente que fluye a la Tierra? I =

42.

Q 20 C = = 2 ⋅ 10 4 A t 10−3 s

Se tiene una resistencia de inmersión de 1500 W conectada a 230 V. Calcula el valor de la resistencia y la corriente que circula por ella. P = VI → I = R =

43.

P 1500 W = = 6,5 A V 230 V

V 230 V = = 35, 3 Ω I 6,5 A

¿Cuál es la resistencia de una lámpara cuyas indicaciones son 60 W, 230 V ? Calcula la potencia consumida cuando se conecta a una tensión de 120 V.

P = VI → I = R =

P 60 W = = 0,26 A V 230 V

V 230 V = = 881,6 Ω I 0,26 W

V' 120 V = = 0,14 A , R 881,6 Ω y la nueva potencia es P' = V' ⋅ I' = 120 V ⋅ 0,14 A = 16,3 W Cuando se conecta a 120 V: I' =

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14 Electricidad 44.

La resistividad del cobre es 1,76 ⋅ 10−66 Ω ⋅ cm. a) Calcula la resistencia de un hilo de cobre de 2 m de longitud y 0,1 mm2 de sección. b) ¿Por qué se usa tanto el cobre en los hilos conductores? a) R = ρ ⋅

l 200 cm = 1,76 ⋅ 10−6 Ω ⋅ cm = 0, 35 Ω S 0, 001 cm2

b) Por su baja resistencia debido a su baja resistividad o alta conductividad. 45.

Una batería de ε = 9 V y resistencia interna de 1 Ω está conectada a un circuito en el que hay tres resistencias de 3, 4 y 5 Ω conectadas en paralelo.

9V

r=1Ω 3Ω

4Ω

Calcula: a) La resistencia equivalente.

5Ω

b) La intensidad del circuito. c) La diferencia de potencial en cada resistencia. d) La diferencia de potencial existente entre los bornes del generador. a)

1 1 1 1 20 + 15 + 12 −1 = + + = Ω → RT 3Ω 4Ω 5Ω 60 → RT =

b) IT =

60 Ω = 1, 3 47

V 9V = = 3, 9 A ⎛ 60 ⎞⎟ RT + r ⎜⎜ ⎟ Ω + 1 ⎟⎠ ⎜⎝ 47

c) La diferencia de potencial en cada resistencia es la misma y se puede calcular como producto de la I T por la RT. V = I T ⋅ RT = 3,9 A ⋅ 1,3 Ω = 5,1 V d) La diferencia de potencial entre los bornes del generador es igual a la fuerza electromotriz menos el producto I T ⋅ r. Vborne-generador = ε − I ⋅ r = = 9 V − 3,9 A ⋅ 1 Ω = 5,1 V = I T ⋅ RT, como era de esperar

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SOLUCIONARIO

46.

¿Qué resistencia R hay que asociar con otra de 3 Ω para que la resistencia equivalente sea de 2,3 Ω??

3Ω

R

1 1 1 = + → RT R1 R2

47.

→

1 1 1 = + → 2, 3 Ω 3Ω R

→

1 1 1 = − = 0,77 Ω−1 → R = 1, 3 Ω R 2, 3 Ω 3Ω

2,3 Ω

Sobre una de carga de 4 ⋅ 10−55 C y masa 2 ⋅ 10−22 g situada en un campo eléctrico actúa una fuerza de 1,2 ⋅ 10−33 N. a) Calcula el valor del campo. b) ¿Qué aceleración presenta la carga? c) ¿De qué magnitudes depende el valor de dicha aceleración? a) E =

F 1,2 ⋅ 10−3 = N/C = 30 N/C q 4 ⋅ 10−5

b) a =

F 1,2 ⋅ 10−3 = m/s2 = 60 m/s2 m 2 ⋅ 10−5

c) Depende de la fuerza eléctrica sobre la carga, es decir, del valor del campo y de la masa de la partícula. 48.

3 Q están separadas Dos cargas Q y −3 por una distancia d. ¿En qué punto de la línea que ambas cargas une se anula el potencial? V = VQ + V−3Q = K →K

49.

Q

−3Q

r1

•

r2

V=0

Q 3Q −K =0 → r1 r2

Q 3Q 1 3 −K =0→ = → r 2 = 3r1 r1 r2 r1 r2

Dos cargas iguales están separadas una distancia d. ¿En qué punto de la línea que las une se anula el campo? Si las cargas son iguales en valor Eជ y signo, el campo se anula q ET = 0 en el punto medio de la línea que las une porque los campos son iguales en módulo y de distinto sentido en dicho punto.

Eជ q

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14 Electricidad 50.

Una carga eléctrica de 5 μC C se encuentra fija en el origen de coordenadas. Otra carga de 2) m 2 μC C pasa del punto (0 , −2 −2 al punto (−3 3 , 3) m. Calcula el trabajo realizado por las fuerzas del campo.

(−3 , 3) 5 μC

−2 μC

(0 , −2)

El trabajo realizado por las fuerzas del campo cuando una carga pasa de un punto a otro de un campo eléctrico es:

W = −ΔEP = −q ⋅ ΔV = −q ⋅ (V2 − V1) = q ⋅ (V1 − V2) V1 = K V2 = K

Q N ⋅ m2 5 ⋅ 10−6 C = 9 ⋅ 10 9 ⋅ = 22 500 V r1 C2 2m Q N ⋅ m2 5 ⋅ 10−6 C = 9 ⋅ 10 9 ⋅ = 10 606,6 V r2 C2 18 m

W = q ⋅ (V1 − V2) = −2 ⋅ 10−6 C ⋅ 11 893,4 V = −0,023 J 51.

Un campo eléctrico uniforme tiene el sentido de las x negativas. a) Indica si es positiva o negativa la diferencia de potencial (VB − VA) entre los puntos A y B de coordenadas (2 , 0) m y (−6 6 , 0) m, respectivamente. b) Si VB − VA es 10−55 V, ¿cuál es el valor del campo eléctrico? a)

Eជ B (−6 , 0)

0

A (2 , 0)

La diferencia de potencial entrre dos puntos de un campo uniforme viene dada por: VB − VA = −Eជ⋅ Δជ r = −Eជ ⋅ (ជ rB − ជ rA) ជ rB − ជ rA = (−6 , 0) − (2 , 0) = (−8 , 0) m Eជ= (−E , 0) → VB − VA = −(E , 0) ⋅ (−8 , 0) = −8 E La diferencia de potencial es negativa, lo que está de acuerdo con el hecho de que el campo está dirigido hacia potenciales bajos. b) Si ΔV = −10−5 V, como ΔV = −8 E, la diferencia de potencial debe ser negativa. 8 E = 10−5 → E =

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105 = 12 500 N/C → Eជ= (−12 500 , 0) N/C 8

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SOLUCIONARIO

52.

Un electrón está situado en un campo eléctrico uniforme de intensidad 100 kV/m. a) Determina la aceleración del electrón. b) Calcula la velocidad cuando ha recorrido 50 mm partiendo del reposo. Datos: q e = −1 1,6 ⋅ 10−119 C, me = 9,1 ⋅ 10−331 kg E =

100 kV V = 105 m m

a) a =

F q ⋅E 1,6 ⋅ 10−19 C ⋅ 105 V/m = = = 1,76 ⋅ 1016 m/s2 m m 9,1 ⋅ 10−31 kg

b) Del principio de conservación de la energía aplicado a una partícula que se mueve en un cuerpo eléctrico uniforme: ΔEC = q ⋅ ΔV = q ⋅ Ed → → v =

2q ⋅ Ed m

2 ⋅ 1,6 ⋅ 10−19 ⋅ 105 ⋅ 5 ⋅ 10−2 = 41 931, 4 m/ss 9,1 ⋅ 10−31

v =

53.

1 mv 2 = qEd → 2

El potencial a 3 m de una carga puntual es 3000 V. Halla el valor del campo en el mismo punto. V = 3000 V q

d=3m

V =K

q → d

→ Kq = Vd E =K

54.

q V ⋅d = = 1000 N/C 2 d d2

Se aceleran una partículas α ( 42He2+) a través de una diferencia de potencial de 2000 V. Halla la velocidad que adquieren después de recorrer una distancia de 3 cm (m = 4 u = 4 ⋅ 1,66 ⋅ 10−227 kg). Aplicando lo visto en el problema 52: ΔEC = q ⋅ Ed. = q ⋅ ΔV 1 mv 2 = qΔV → v = 2 =

2q ⋅ ΔV = m

2 ⋅ 2 ⋅ 1,6 ⋅ 10−19 ⋅ 2000 = 8 ⋅ 10−14 m/s 4 ⋅ 1,66 ⋅ 10−27

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14 Electricidad 55.

Si un cuerpo metálico cargado con una carga negativa de 10−66 C se descarga a tierra al ponerlo en contacto con ella, ¿ha perdido o ganado electrones? ¿Cuántos? Si su carga es negativa y finalmente no tiene carga, es que ha perdido electrones. Nelectrones perdido = 6,24 ⋅ 1018 e/C ⋅ 10−6 C = 6,24 ⋅ 1012 e

56.

Si duplicamos la resistencia de una estufa, ¿cómo variará el consumo de energía cuando se conecta a la misma tensión durante el mismo tiempo? V

V R

⇒

↓

↓

I =

V

R

I' =

V 2R

2R

E = I Rt

E' = I' 2 (2R) t

2

donde I' =

V I = 2R 2

Por tanto: E' =

I2 I 2RT E = ⋅ (2R ) t = 4 2 2

El consumo se reduce a la mitad. 57.

Un cargador de un teléfono móvil funciona a 65 mA. ¿Cuántos culombios proporciona si para que la carga sea completa debe estar cargando durante 2 horas? I =

Q C → Q = I ⋅ t = 6,5 ⋅ 10−4 ⋅ 3600 ⋅ 2 s → t s → Q = 468 C

58.

Contesta: a) ¿Qué quiere decir que la intensidad de una corriente es de 5 A? b) ¿Qué carga atravesará un conductor si por él pasa dicha intensidad durante una hora y media? a) Que pasan 5 C por segundo a través de la sección transversal de un conductor. b) Q = I ⋅ t = 5

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C s

⋅ 5400 s = 27 000 C

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SOLUCIONARIO

59.

Dos bombillas en paralelo lucen lo mismo que una sola y más que dos bombillas conectadas en serie. a) ¿Podrías explicarlo? b) Dibuja los circuitos con las bombillas en serie y en paralelo y aplica la ley de Ohm a los distintos casos. a)

R R

R

RT =

R 2

La resistencia equivalente a dos bombillas en paralelo es la mitad de la resistencia de una de ellas. RT =

R V V →I = =2 R 2 R 2

La intensidad del circuito en paralelo es el doble que la del circuito con una sola bombilla, pero la intensidad por cada rama es V la mitad; es decir, , que es la misma que la que pasa R por el circuito con una bombilla. Por ello, se cumple que dos bombillas iguales en paralelo lucen lo mismo que una sola. b) Si se conectan dos bombillas en serie:

R

RT = 2R → I =

R

V 2R

La intensidad que atraviesa cada una es la mitad que la que pasa por cada rama del circuito en paralelo del apartado anterior, y por eso lucen menos las dos bombillas en serie.

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14 Electricidad 60.

¿Dónde debe conectarse un amperímetro en un circuito con una resistencia para medir la corriente, antes o después de la resistencia? Da lo mismo, la corriente es la misma a lo largo de todo el conductor. A

I→

61.

⬅

A

I→

9V

Observa el circuito: a) Señala qué indicará el amperímetro del esquema cuando circula la corriente por el circuito. b) Explica qué indicará el voltímetro del esquema cuando circula la corriente por el circuito.

20 Ω

A

40 Ω

V

I I 1 1 3 −1 40 = + → = Ω → RT = Ω RT RT 20 Ω 40 Ω 40 3 IT =

9V 27 V = = A = 0,67 A 40 R 40 Ω 3

a) La corriente por cada rama es inmensamente proporcional a la resistencia. Por la resistencia de 20 Ω pasará una corriente 2 que será de la corriente total, y por la resistencia de 40 Ω 3 1 la corriente será de la total. 3 I20 Ω =

2 2 27 IT = ⋅ A = 0, 45 A 3 3 40

I 40 Ω =

1 1 27 IT = ⋅ A = 0,22 A 3 3 40

El amperímetro marcará 0,45 A. b) V = IT ⋅ RT =

27 40

A⋅

40 Ω = 9 V marcará el voltímetro 3

La tensión es la misma que la de la pila, si no se considera la resistencia interna de la misma.

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SOLUCIONARIO

62.

ε

Tenemos el siguiente circuito: Cuando se cierra el circuito, los aparatos indican las siguientes lecturas: • Amperímetro → 0,2 A. • Voltímetro → 4,4 V.

I

r A ε'

R

M r' V

Si sujetamos las aspas del motor para evitar que gire, observamos que la intensidad de corriente que señala el amperímetro sube a 2 A. a) Calcula la resistencia interna del motor. b) Calcula la fuerza contraelectromotriz del motor. c) ¿Cuánta energía proporciona la pila en un minuto? d) ¿Cuánta energía se invierte en hacer girar al motor? e) ¿Cuánta energía se disipa como calor debido a la resistencia interna r ' del motor? f ) ¿Cuánta energía se disipa como calor debido a la resistencia interna r de la pila? Con el motor funcionando: VAB = ε' + I1 ⋅ r ' → 4,4 V = ε' + 0,2 ⋅ r ' Con el motor forzado a no girar: VAB = I2 ⋅ r ' → 4,4 V = 2 r ' a) r ' = 2,2 Ω b) ε' = VAB − 0,2 ⋅ r ' = 4,4 V − 0,2 A ⋅ 2,2 Ω = 3,96 V c) ε = 4,4 V + ε' = 4,4 V + 3,96 V = 8,36 V Por tanto: W = P ⋅ t = ε ⋅ I ⋅ t = 8,36 V ⋅ 0,2 A ⋅ 60 s = 100 J d) En el motor se invierte: WM = PM ⋅ t = ε' ⋅ I ⋅ t = 3,96 V ⋅ 0,2 A ⋅ 60 s = 47,5 J e) WQ = (I 1)2 ⋅ r ' ⋅ t = (0,2 A)2 ⋅ 2,2 Ω ⋅ 60 s = 5,28 J f) Con la conservación de la energía: 100 J = W = WM + WQ + WR+r = 47,5 J + 5,28 J + WR+r → → WR+r = 47,22 J

WR+r = 47,22 J = I 2 ⋅ (R + r ) ⋅ t → W → R + r = 2R+r → R + r = 19,675 Ω I1 ⋅ t Por tanto: r = 19,675 Ω − R y Wr = (I 1)2 ⋅ r ⋅ t.

373

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NOTAS

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Anexos

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Página 376

Anexo I. Tablas de constantes físicas y químicas Cantidad Velocidad de la luz en el vacío (c) Constante de Newton de la gravitación (G) Constante de Planck (h) Carga elemental (e) Constante de estructura fina (␣) Constante de Rydberg (R) Radio de Bohr (a0) Masa del electrón Masa del electrón (en u) Energía equivalente a la masa del electrón Energía equivalente a la masa del electrón (en MeV) Relación masa electrón-protón Relación masa electrón-neutrón Radio clásico del electrón Masa del muón Masa del tauón Masa del protón (en u) Energía equivalente a la masa del protón Energía equivalente a la masa del protón (en MeV) Relación masa protón-electrón Relación masa protón-neutrón Masa del neutrón Masa del neutrón (en u) Energía equivalente a la masa del neutrón Energía equivalente a la masa del neutrón (en MeV) Masa de partícula ␣ Masa de partícula ␣ (en u) Energía equivalente a la masa de partícula ␣ Energía equivalente a la masa de partícula ␣ (en MeV) Constante de Avogadro (NA) Constante de masa atómica (1 u) Energía equivalente a constante de masa atómica Energía equivalente a constante de masa atómica (en MeV) Constante de Faraday (F) Constante molar de los gases (R) Constante de Boltzmann (K) Constante de Boltzmann (K) (en eV/K) Volumen molar del gas ideal (273,15 K, 100 kPa) Constante de Stefan-Boltzmann Constante de la ley de desplazamiento de Wien Masa molar del carbono-12 Atmósfera estándar Aceleración estándar de la gravedad Unidades Electronvoltio Relación julio-electronvoltio Relación electronvoltio-julio

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Valor

Incertidumbre

299 792 458

Unidad m ⋅ s−1

(exacto)

6,6742 ⋅ 10−11

0,0010 ⋅ 10−11 −34

m3 ⋅ kg−1 ⋅ s−2 −34

6,626 0693 ⋅ 10

J⋅s C

0,000 0011 ⋅ 10

−19

−19

1,602 176 53 ⋅ 10

0,000 000 14 ⋅ 10

7,297 352 568 ⋅ 10−3 10 973 731,568 525

0,000 000 024 ⋅ 10−3 0,000 073

0,529 177 2108 ⋅ 10

−10

9,109 3826 ⋅ 10−31

0,000 000 0018 ⋅ 10

−10

0,000 0016 ⋅ 10−31

5,485 799 0945 ⋅ 10

−4

−14

0,000 000 0024 ⋅ 10

kg −4

−14

8,187 1047 ⋅ 10 0,510 998 918

0,000 0014 ⋅ 10 0,000 000 044

5,446 170 2173 ⋅ 10

−4

5,438 673 4481 ⋅ 10−4 −15

m−1 m u J MeV

0,000 000 0025 ⋅ 10

−4

0,000 000 0038 ⋅ 10−4 0,000 000 028 ⋅ 10−15

m

1,883 531 40 ⋅ 10

0,000 000 33 ⋅ 10−28

kg

3,167 77 ⋅ 10−27 1,007 276 466 88

0,000 52 ⋅ 10−27 0,000 000 000 13

kg

1,503 277 43 ⋅ 10−10 938,272 029

0,000 000 26 ⋅ 10−10 0,000 080

J

1836,152 672 61

0,000 000 85

0,998 623 478 72

0,000 000 000 58

1,674 927 28 ⋅ 10−27 1,008 664 915 60

0,000 000 29 ⋅ 10−27 0,000 000 000 55

kg

1,505 349 57 ⋅ 10−10 939,565 360

0,000 000 26 ⋅ 10−10 0,000 081

J

6,644 6565 ⋅ 10−27 4,001 506 179 149

0,000 0011 ⋅ 10−27 0,000 000 000 056

kg

5,971 9194 ⋅ 10−10 3727,379 17

0,000 0010 ⋅ 10−10 0,000 32

J

6,022 1415 ⋅ 1023

0,000 0010 ⋅ 1023

mol−1 kg

2,817 940 325 ⋅ 10

−28

−27

u

−27

MeV

u MeV u MeV

1,660 538 86 ⋅ 10

0,000 000 28 ⋅ 10

1,492 417 90 ⋅ 10−10 931,494 043

0,000 000 26 ⋅ 10−10 0,000 080

J

96 485,3383

0,0083

C ⋅ mol−1

8,314 472

J ⋅ mol−1 ⋅ K−1

0,000 015 −23

1,380 6505 ⋅ 10

−5

8,617 343 ⋅ 10

−3

MeV

−23

0,000 0024 ⋅ 10

J ⋅ K−1

−5

eV ⋅ K−1

−3

0,000 015 ⋅ 10

22,710 981 ⋅ 10

0,000 040 ⋅ 10

m3 ⋅ mol−1

5,670 400 ⋅ 10−8

0,000 040 ⋅ 10−8

W ⋅ m−2 ⋅ K−4

2,897 7685 ⋅ 10−3

0,000 0051 ⋅ 10−3 (exacto)

m⋅K

12 ⋅ 10−3 101 325 9,806 65

(exacto)

kg ⋅ mol−1 Pa

(exacto)

m ⋅ s−2

1,602 176 53 ⋅ 10−19 J 6,241 509 47 ⋅ 1018 eV 1,602 176 53 ⋅ 10−19 J

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Anexo II. S i s t e m a p e r i ó d i c o d e e l e m e n t o s

1

2

3

4

5

6

7

8

Configuración electrónica

s1

s2

d1

d2

d3

d4

d5

d6

PERIODO

GRUPO

IA

ORBITALES

1,0

1

1S

H

1

Hidrógeno

II A

6,9

3

2s 2p

2

23,0

12

Magnesio 40,1

132,9

55

Estroncio 137,3

56

Itrio

55,8

26

V Cr Mn Fe Cromo

92,9

41

95,9

Manganeso

(97,9)

101,1

44

43

42

Hierro

Zr Nb Mo Tc Ru Rutenio Tecnecio Circonio Niobio

138,9

178,5

180,9

73

72

183,8

186,2

75

74

190,2

76

Lantano

(226)

88

Hafnio

(227)

89

Tántalo

(261)

104

Wolframio

(262)

105

Renio

(266)

106

(264)

107

(277)

108

Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Francio

Radio

Actinio

Rutherfordio

Dubnio

Seaborgio

Bohrio

f1

f2

f3

f4

140,1

58 LANTÁNIDOS

F

6

232,0

90 ACTÍNIDOS

F

7

140,9

59

144,2

60

(145)

61

Hassio

f5 150,4

62

Ce Pr Nd Pm Sm Cerio

Praseodimio

231,0

91

Neodimio

Prometio

(244)

(237)

238,0

92

Samario

93

94

Th Pa U Np Pu Torio

378

54,9

25

Molibdeno

57

Bario

(223)

87

7

40

Y

24

Vanadio

91,2

88,9

39

VII B

52,0

50,9

23

Titanio

VI B

Cs Ba La Hf Ta W Re Os Osmio Cesio

7s 5f 6d 7p

Nombre

VB

47,9

22

Escandio

87,6

38

Rb Sr Rubidio

6

IV B

45,0

21

Calcio

85,5

6s 4f 5d 6p

III B

K Ca Sc Ti

37

5

Calcio

24,3

20

Potasio

5s 4d 5p

Símbolo

Berilio

39,1

19

4

Ca 9,0

Na Mg Sodio

4s 3d 4p

Masa atómica (u)

Li Be

11

3

40,1

4

Litio

3s 3p

20

Número atómico

Protactinio

Uranio

Neptunio

Plutonio

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10

11

12

13

14

15

16

17

18

d7

d8

d9

d 10

p1

p2

p3

p4

p5

p6 VIII A 4,0

2

III A

NO METALES

IV A

10,8

5 Boro

GASES NOBLES

IB

58,9

27

63,5

58,7

29

28

II B

Silicio

69,7

P

Fósforo

S

74,9

33

Neón

35,5

39,9

18

Cl Ar Argón Cloro

79,9

79,0

34

20,2

F Ne

Flúor

17

Azufre

Helio

10

32,1

16

72,6

32

O

Oxígeno

He

19,0

9

31,0

15

Al Si

31

N

Nitrógeno

VII A

16,0

8

28,1

14

Aluminio

65,4

30

C

Carbono

VI A

14,0

7

27,0

13

VIII

12,0

6

B

METALES

VA

35

83,8

36

Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Criptón Cobalto

102,9

45

Níquel

106,4

46

Cobre

107,9

Cinc

112,4

48

47

Galio

114,8

49

Germanio

118,7

50

Arsénico

121,8

Selenio

127,6

52

51

Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te Rodio

192,2

Paladio

195,1

78

77

Ir Iridio

197,0

Cadmio

200,6

80

79

Indio

204,4

f6 152,0

63

207,2

82

81

Platino

Oro

(271)

110

(272)

111

Mercurio

Talio

Antimonio

209,0

Teluro

(209,0)

84

83

Darmstadtio Roentgenio

f7 157,2

64

f8 158,9

65

Plomo

(285)

Ununbio

f9 162,5

66

Bismuto

I

Yodo (210,0)

85

131,3

54

Xe Xenón

(222,0)

86

114

116

Uub

Uub

164,9

67

f 11 167,3

68

Astato

Radón

Ununhexio

Ununquadio

f 10

Polonio

(292)

(289)

112

Mt Ds Rg Uub Meitnerio

Estaño

126,9

53

Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

(268)

109

Plata

Bromo

f 12 168,9

69

f 13 173,0

70

f 14 175,0

71

Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Europio

Gadolinio

(243)

95

Terbio

(247)

(247)

96

Disprosio

97

Holmio

(251)

98

(252)

99

Erbio

(257)

100

Tulio

(258)

101

Iterbio

(259)

102

Lutecio

(262)

103

Cf Es Fm Md No Lr Am Cm Bk Californio Americio

Curio

Berkelio

Einstenio

Fermio

Mendelevio

Nobelio

Laurencio

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NOTAS

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Dirección de arte: José Crespo Proyecto gráfico: Portada: CARRIÓ/SÁNCHEZ/LACASTA Interiores: Manuel García Ilustración: David Cabacas Jefa de proyecto: Rosa Marín Coordinación de ilustración: Carlos Aguilera Jefe de desarrollo de proyecto: Javier Tejeda Desarrollo gráfico: Rosa María Barriga, José Luis García, Raúl de Andrés Dirección técnica: Ángel García Encinar Coordinación técnica: Alejandro Retana Confección y montaje: Hilario Simón Corrección: Ángeles San Román, Gerardo Z. García Documentación y selección fotográfica: Nieves Marinas Fotografías: J. Jaime; M. G. Vicente; EFE/J. M. García; EFE/AP PHOTO/NASA; EFE/SIPAPRESS/Scott Andrews; HIGHRES PRESS STOCK/AbleStock.com; PHOTODISC; MATTON-BILD; SERIDEC PHOTOIMAGENES CD; ARCHIVO SANTILLANA

© 2008 by Santillana Educación, S. L. Torrelaguna, 60. 28043 Madrid PRINTED IN SPAIN Impreso en España por

ISBN: 978-84-294-0988-8 CP: 833490 Depósito legal:

Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra solo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org ) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra.

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